ЧастицаОбозначениеМасса (электрон = 1)Спин (фотон = 1)Электрический зарядПериод полураспад, сГравитонg020СтабильныйФотонγ010СтабильныйЭлектронe1½–1СтабильныйПротонp1836½+1СтабильныйНейтронn1839½01013Начиная с 1950-х годов принято называть все легкие частицы пептонами (от греч. «малый»), а тяжелые — барионами (от греч. «тяжелый»). Согласно этой классификации, гравитон, фотон и электрон являются лептонами, а протон и нейтрон — барионами.
Было бы очень удобно, если бы во Вселенной вся материя и вся энергия состояли лишь из этих трех лептонов и двух барионов и из них же строились бы все 100 с хвостиком элементов, из которых, в свою очередь, состояло бы все остальное: от звезд до человеческого мозга.
Первый признак того, что не все во Вселенной так просто, был обнаружен еще до открытия нейтрона. В 1930 году английский физик Поль Дирак (1902–1984), рассматривая электрон теоретически, предположил, что электрон должен существовать в одном из двух различных энергетических состояний: в одном состоянии он является обычным электроном, а во втором — несет положительный, а не отрицательный заряд.
Какое-то время это утверждение оставалось сугубо теоретическим. В 1932 году американский физик Карл Андерсон (1905–1991) занимался изучением космических частиц, используя камеру Вильсона, разделенную пополам свинцовой перегородкой. Андерсон предполагал, что, проходя сквозь свинец, космическая частица потеряет значительную часть своей энергии, на выходе будет сильнее отклоняться магнитным полем и изучать ее свойства станет проще. Однако некоторые космические лучи, проходя сквозь свинец, ударялись об атомные ядра, вызывая вторичное излучение.
На одной из сделанных Андерсоном фотографий частица была запечатлена в момент выхода из свинца. Судя по кривизне траектории, ее масса равнялась массе электрона, однако она отклонялась в противоположную сторону. Эта частица и является положительно заряженным электроном, о котором говорил Дирак.
Андерсон назвал частицу позитроном, и это название прижилось. Позитрон, обладая свойствами, противоположными более распространенной частице, принадлежит к классу частиц, которые мы сегодня называем античастицами. Если бы позитрон был обнаружен сегодня, его назвали бы антиэлектроном, впрочем, иногда его именно так и называют.
С обозначением позитрона все немного запутанней. Можно использовать полное обозначение, подписывая в нижнем регистре заряд, а в верхнем — массу, то есть обозначая электрон как –1e0, а позитрон как 1e0. Основным недостатком такой записи является ее громоздкость. Большинство физиков считают, что им совсем не обязательно все время напоминать о заряде и массе (особенно потому, что масса не равна, а лишь близка к 0). Поэтому электрон часто обозначают просто как e–, а позитрон как e+. Но и у такого обозначения есть свои недостатки. Как выяснилось позже, у некоторых античастиц заряд такой же (или он также отсутствует), как и у противоположных им частиц. Поэтому в некоторых случаях удобнее обозначать античастицу полосой над символом. Таким образом, электрон обозначается как e , а позитрон как ē.
Позитроны определенным образом связаны с радиоактивностью. Для того чтобы понять, как именно, давайте вспомним, как с радиоактивностью связаны электроны.
Когда количество нейтронов слишком велико и ядро начинает терять устойчивость, положение можно исправить, преобразовав нейтрон в протон путем испускания электрона. В полной записи (с обозначением массы и заряда) этот процесс выглядит так:
0n1 → 1p1 + –1e0. (Уравнение 13.1)
В результате образования еще одного протона атомное число нуклида увеличивается на единицу, однако массовое число остается неизменным, так как протон образуется за счет исчезновения одного нейтрона.
Возьмем, например, фосфор, единственным стабильным изотопом которого является фосфор–31 (15 протонов, 16 нейтронов). Радиоактивный фосфор–32 (15 протонов, 17 нейтронов) в силу избытка нейтронов должен испустить один электрон в виде бета-частицы, что и происходит. Фосфор–32 испускает бета-частицы и превращается в стабильный изотоп серы–32 (16 протонов, 16 нейтронов).
Все встречающиеся в природе радиоактивные изотопы, как долгоживущие, так и живущие недолго, обладают избытком нейтронов и в процессе перестройки ядра для достижения устойчивости испускают электроны (а также альфа-частицы).
А что произойдет, если искусственным путем создать радиоизотоп с дефицитом нейтронов в ядре? Для достижения устойчивости необходимо увеличить количество нейтронов за счет протонов. Этот процесс можно описать формулой, обратной формуле 13.1. Происходит поглощение электрона протоном, аналогичное К-захвату (см. гл. 8).
1p1 + –1e0 → 0n1. (Уравнение 13.2)
Однако существует вероятность и другого процесса. В то время как нейтрон может превратиться в протон путем испускания электрона, протон, по аналогии, может превратиться в нейтрон путем испускания позитрона:
1p1 + 0n1 → 1e0. (Уравнение 13.3)
Испускание позитрона (или положительно заряженной бета-частицы) приводит к обратному испусканию электрона результату. Атомное число нуклида уменьшается на единицу вследствие исчезновения протона, а массовое число остается опять-таки неизменным, так как на месте протона появляется электрон.
Фосфор–30 — самый первый полученный искусственным путем радиоизотоп — имел дефицит нейтронов в ядре; В то время как ядро стабильного фосфора–31 состоит из 15 протонов и 16 нейтронов, ядро фосфора–30 состоит из 15 протонов и всего лишь 15 нейтронов. Фосфор–30, период полураспада которого 2,6 мин, испускает позитрон и превращается в стабильный кремний–30 (14 протонов, 16 нейтронов). Получив фосфор–30, супруги Жолио-Кюри предвосхитили открытие позитрона Андерсоном.
В лабораторных условиях было получено большое количество излучающих позитроны радиоизотопов. Наиболее известным из них является, пожалуй, углерод-11, использовавшийся в качестве изотопного маркера вплоть до открытия углерода–14.
В природе позитроны образуются в основном в ходе реакций ядерного синтеза с участием водорода на Солнце и других звездах. В процессе слияния четырех ядер водорода–1 в одно ядро гелия–4, которое имеет 2p/2n структуру, два протона преобразуются в нейтроны, испуская два позитрона:
1Н1 + 1Н1 + 1Н1 + 1Н1 → 2He4 + 1e0 + –1e0 (Уравнение 13.4)
Аннигиляция вещества
Электрон является стабильной частицей. Это означает, что самопроизвольно никаких изменений в нем не происходит. Согласно закону сохранения электрического заряда общий заряд остается неизменным. Электрон является самой малой частицей с отрицательным зарядом, и ученые предполагают, что меньшей отрицательной частицы, скорее всего, не существует. Распадаясь, электрон должен стать частицей с еще меньшей массой, а в этом случае для электрического заряда, так сказать, просто не останется места, поэтому электроны и не распадаются.
Это же утверждение относится и к позитрону, являющемуся самой малой частицей с положительным зарядом, который ей некуда девать в случае распада. Поэтому позитрон также считается стабильной частицей, и, если бы во Вселенной были одни лишь позитроны, они существовали бы вечно.
Однако позитрон вовсе не единственная частица во Вселенной. Позитроны образуются в мире, где электроны превосходят их по количеству. При обычных земных условиях не проходит и одной миллионной доли секунды, как позитрон сталкивается с электроном. Что же в этом случае происходит?
Сумма зарядов позитрона и электрона равна нулю. Значит, они могут слиться и нейтрализовать заряды друг друга. Кроме того, они компенсируют и массу друг друга. Такой процесс называется взаимной аннигиляцией. Но это не является аннигиляцией в чистом виде, так как согласно закону сохранения массы и энергии что-то все-таки остается, несмотря на нейтрализацию зарядов. Если пропадает масса электрона и позитрона, значит, должно выделиться соответствующее количество энергии.
Общая масса электрона и позитрона равна 1,822∙10–27 граммов. По формуле Эйнштейна e = mc2 (см. ч. II) энергетический эквивалент массы этих двух частиц равен 1,64∙10–6 эрг, или 1,02 Мэв.
Нельзя забывать и о других законах сохранения, имеющих силу при данном преобразовании массы в энергию. Например, закон сохранения углового момента (см. ч. 1) определяет спин.
Спин протона может принимать значение либо +1, либо –1. Если в результате взаимной аннигиляции электрона и позитрона образуется протон, энергия которого равна 1,02 Мэв (протон гамма-луча), то, предположив, что спин у электрона и позитрона одинаков, значение этого спина должно равняться ½. Если их спин равен +½, то образуется фотон со спином +1, а если их спин равен –½, то образуется фотон со спином –1.
Сложность заключается в том, что нужно соблюдать и закон сохранения количества движения (см. ч. I). Если общий импульс системы позитрон — электрон по отношению к окружающим объектам равен нулю, тогда единственный образующийся фотон не сможет сдвинуться с места. Но так как фотон должен двигаться, да еще и со скоростью света, значит, образуются несколько фотонов.
Вместо одного протона образуются три протона, по 0,34 Мэв каждый (они также являются гамма-лучами). Они появляются одновременно и разлетаются в разные стороны под углом 60°. Если спины протонов равны +1, +1 и –1, то и общий спин равен +1, а если -1, –1 и +1, то –1. И в том и в другом случае законы сохранения углового момента и импульса не нарушаются.
Если спины электрона и позитрона имеют одинаковое направление (то есть и у электрона, и у позитрона спин положителен либо отрицателен), то могут образоваться только три протона, но никак не два. Общий спин двух фотонов может быть равен 0 (+1 и –1), +2 (+1 и +1) или -2 (–1 и –1), в то время как общий спин электрона и позитрона может быть равен лишь +1 (+½ и + ½) или –1 (–½ и –½). В данном случае закон сохранения углового момента не соблюдается.
С другой стороны, если спины электрона и позитрона имеют разное направление (+½ и –½), то они могут образовать два фотона (+1 и –1), так как угловой момент в обоих случаях равен 0, то есть закон сохранения углового момента соблюдается. Два протона являются гамма-лучами мощностью 0,51 Мэв, которые разлетаются в противоположном друг от друга направлении, то есть соблюдается и закон сохранения импульса.
Я так подробно рассказываю об этом, чтобы показать, как физики с помощью законов сохранения определяли, что на субатомном уровне происходить может, а что не может. Они основывались на утверждении, что любое «ядерное» явление, если оно может произойти, произойдет обязательно, нужно лишь достаточно долго ждать и пристально наблюдать. Поэтому, если какое-то явление не происходит, несмотря на долгие и сложные исследования, однако оно не «запрещено» ни одним из законов сохранения, значит, нужно вывести новый закон. С другой стороны, если вопреки какому-либо закону явление все же происходит, значит, этот закон действителен только в определенных условиях и нужно вывести более общую формулу.
Было обнаружено, что при взаимной аннигиляции электронов и позитронов выделяются гамма-лучи, энергия которых в точности соответствует расчетной. Это — одно из самых красивых доказательств верности специальной теории относительности Эйнштейна, частью которой является формула e = mc2.
Должен существовать и обратный процесс. Энергия должна каким-то образом переходить в массу. Энергия не может образовать электрон или позитрон, так как неоткуда взяться заряду. Нельзя создать и лишь один положительный или отрицательный заряд.
Однако электрон и позитрон могут образоваться одновременно. Общий заряд такой электронно-позитронной пары все равно остается равным нулю. Для этого необходим гамма-луч мощностью по меньшей мере 1,02 Мэв, а в случае использования более мощного луча избыток энергии переходит в кинетическую энергию частиц — все по Эйнштейну.
Быстрые позитроны образуются благодаря большому избытку энергии космических лучей. Именно эти частицы и являлись первыми античастицами, открытыми Андерсоном.
Когда Дирак разработал теоретическое доказательство, вылившееся в концепцию античастиц, он посчитал, что противоположной электрону частицей является протон. Однако его предположение не подтвердилось, так как электрон и протон противоположны друг другу разве только что зарядом. Масса протона, например, в 1836 раз больше массы электрона. (Почему электрон легче и почему именно в 1836 раз? Эти два вопроса являются одними из самых интересных загадок ядерной физики.)
Электрон и протон притягиваются друг к другу, как и любые другие объекты с разноименными электрическими зарядами, но они не аннигилируют. В крайнем случае протон захватывает электрон и тот занимает самый нижний электронный уровень, то есть приближается к протону на минимальное расстояние. (В случае протонно-электронной аннигиляции такого соединения просто бы не существовало.)
Электрон и позитрон, которые могут аннигилировать друг друга, также могут захватывать друг друга на какое-то время без аннигиляции. Такой атом, состоящий из движущихся по орбите друг за другом вокруг общего центра притяжения электрона и позитрона (если рассматривать как обычную частицу, не принимая во внимание проявления волновых свойств), называется позитронием.
Существуют два вида позитрониев: ортопозитроний, частицы которого имеют одноименный спин, и парапозитроний, частицы которого имеют разноименный спин. Ортопозитроний существует в среднем одну десятую долю микросекунды, после чего происходит аннигиляция, а парапозитроний и того меньше — всего одну десятитысячную микросекунды. После аннигиляции ортопозитрония образуется три протона, а после аннигиляции парапозитрония — два. В 1951 году австрийскому физику Мартину Дойчу (1917–2002) удалось обнаружить позитронии по испускаемым ими гамма-лучам.
Антибарион
В теории Дирака нет ничего из того, что можно было бы применить к электрону, но ее нельзя применить и к протону. Если у электрона есть античастица, то античастица должна быть и у протона. Антипротон взаимно аннигилируется с протоном, в результате чего, как и в случае с позитроном и электроном, образуются пары и тройки фотонов.
Однако так как масса протона в 1836 раз превышает массу электрона, а масса антипротона в 1836 раз превышает массу позитрона, энергия, выделяемая в результате аннигиляции протона и антипротона, должна быть в 1836 раз больше энергии, выделяемой при аннигиляции электрона и позитрона. Общий выход энергии составляет 1,02 ∙ 1836, то есть 1872 Мэв, или 1,872 млрд. эв. Как видите, мы в диапазоне миллиардов электрон вольт.
Для обратного процесса, образования протонно-антипротонной пары, требуется 1,872 млрд. эв энергии. В действительности энергии требуется намного больше, так как пара образуется за счет столкновения двух частиц на очень большой скорости, а избыток энергии повышает шансы образования антипротона. По подсчетам физиков, для успешного образования протонно-антипротонной пары требуется 6 млрд. эв энергии.
Такой энергией обладают самые быстрые из космических частиц. Однако такие частицы встречаются крайне редко, поэтому сидеть и ждать их с детектором в надежде, что они тут же появятся, довольно глупо.
По этой причине антипротоны были обнаружены лишь тогда, когда физикам удалось построить ускорители частиц, способные разгонять частицы до миллиардов электронвольт. После установки и настройки детекторов ускоренные частицы можно направлять в цель. В Калифорнийском университете для этих целей был использован синхрофазотрон, называвшийся «Беватрон».
Вылетающие из «Беватрона» быстрые частицы ударялись о медную плиту, где в результате столкновения образовывалось огромное количество частиц. Необходимо было выделить из всех этих обломков антипротоны. Для этой цели осколки подвергали воздействию магнитного поля, в результате чего отфильтровывались отрицательно заряженные частицы. Среди них антипротон является самой тяжелой и самой медленной частицей. Поток осколков направляли на расположенные на расстоянии 12,5 м два сцинтилляционных счетчика. Согласно расчетам, антипротон должен пройти это расстояние за 0,051 миллисекунды,
В конце концов Эмилио Сегре (первооткрывателю технеция, к этому времени эмигрировавшему в США) и американскому физику Оуэну Чемберлену удалось обнаружить такую частицу в 1956 году.
Антипротон, как и ожидалось, является близнецом протона, равным по массе, но с противоположным зарядом. Протон обладает положительным зарядом, а антипротон — отрицательным. Протон и антипротон можно обозначить как, 1p1 и -1p1, или как p+ и p–, или как p и p–.
Протон является стабильной частицей и сам по себе может существовать вечно. Его стабильность не подчиняется законам сохранения. Может ли протон распасться до позитрона с энергией в 0,51 Мэв, а оставшуюся большую часть энергии испустить в виде фотонов? Сохранится ли его заряд?
На практике такого не происходит, поэтому мы вполне можем ввести новый закон сохранения — закон сохранения барионного числа. Согласно этому закону общее число бирионов должно оставаться неизменным в любом случае. Основываясь на изученных субатомных явлениях, физики уверены в справедливости этого закона.
Если протон распадается до позитрона, количество барионов уменьшается с 1 до 0. Это противоречит закону сохранения барионного числа, поэтому протон и не распадается до позитрона. На самом деле протон является самой легкой частицей среди барионов, поэтому он не может распадаться. Его стабильность является отражением закона сохранения барионного числа.
Аналогично антипротон является стабильной частицей и не может распадаться, например до электрона. Антипротон является самым легким из всех антибарионов, а закон сохранения барионного числа применим и к антибарионам.
Во Вселенной при столкновении антипротона с протоном (которых намного больше) тут же происходит аннигиляция. Общий заряд протонно-антипротонной пары равен нулю, поэтому аннигиляция происходит без нарушения закона сохранения электрического заряда. Кроме того, считается, что барионное число антипротона равно –1, а протона +1. Значит, барионное число протонно-антипротонной пары равно 0, и аннигиляция происходит без нарушения закона сохранения барионного числа.
Выделяемая в процессе аннигиляции протона и антипротона энергия может принимать участие в образовании не только протонов, но и других частиц. Если протон и антипротон проходят очень близко, но не попадают друг в друга, аннигилируется только их заряд, а масса остается. Можно предположить, что в этом случае образуется одна незаряженная частица. Но одна частица образовываться не может, так как барионное число протонно-антипротонной пары равно 0, а в случае образования, скажем, нейтрона барионное число будет равно 1, что противоречит закону сохранения барионного числа. На самом деле образуются две частицы — нейтрон и антинейтрон. Барионное число антинейтрона равно –1, нейтрона +1, поэтому их общее барионное число равно 0, то есть закон сохранения барионного числа соблюдается. Такой процесс «полуаннигиляиии» был открыт в 1956 году, вскоре после обнаружения антипротона, послужившего толчком к открытию антинейтрона.
Вполне справедлив вопрос: «А как же различать нейтрон и антинейтрон?» Элементы других пар «частица — античастица» отличаются друг от друга полюсом электрического заряда. У электрона заряд отрицательный, у позитрона — положительный. У протона — положительный, у антипротона — отрицательный.
Впрочем, у всех обладающих спином частиц есть еще одно различие. Любую обладающую спином частицу можно представить в виде крошечной сферы, вращающейся вокруг своей оси и имеющей два полюса. Если смотреть на частицу с одного полюса (назовем его первым), то она будет вращаться по часовой стрелке, а если с другого (назовем его вторым) — то против. Давайте считать, что мы всегда смотрим на частицу со второго полюса.
Вращение частицы приводит к образованию магнитного поля и двух магнитных полюсов — северного и южного. Если мы рассматриваем со второго полюса протон, то его северный магнитный полюс окажется сверху, а южный — снизу. Если же мы рассматриваем со второго полюса антипротон, то сверху окажется его южный, а не северный полюс. Другими словами, если направления спинов частицы и античастицы совпадают, то направление их магнитных полей обратно. То же относится к электрону и позитрону.
Хотя у нейтрона и нет электрического заряда, у него есть магнитное поле, так как, хоть заряд нейтрона и равен 0, отдельные его участки все-таки обладают электрическим зарядом. В 1951 году американский физик Роберт Хофстедтер (1915–1990) начал серию экспериментов по исследованию отдельных нуклонов с помощью пучков быстрых электронов. Ему удалось обнаружить, что и протоны и нейтроны состоят из обладающей электрическим зарядом оболочки и различаются между собой лишь общим зарядом.
Нейтрон и антинейтрон отличаются друг от друга противоположным направлением магнитного поля. Так как у нейтрона и антинейтрона нет электрического заряда, то символ 0n1 применим и к той и к другой частице. Поэтому обычно их обозначают как пил.
Период полураспада нейтрона равен 1013 секундам. Нейтрон распадается на протон и электрон, то есть барион превращается в более легкий барион, при этом барионное число остается неизменным. Общий заряд также остается неизменным и равняется 0. Помимо этого образуется еще и электрон, но тут есть одна тонкость, о которой мы поговорим в следующей главе, где подведем под закон сохранения и электрон.
Точно так же период полураспада антинейтрона равен 1013, и он распадается на антипротон и позитрон, сохраняя барионное число (–1) и электрический заряд (0). Графически этот процесс выглядит так:
n → р + е (Уравнение 13.5)
и
ñ → р- + ē. (Уравнение 13.6)
Антивещество
Теперь мы можем добавить в табл. 13 еще три частицы: позитрон, антипротон и антинейтрон, каждая из которых является, так сказать, зеркальным отражением какой-либо частицы в таблице. У оставшихся фотона и гравитона зеркального отражения нет и быть не может, поскольку с теоретической точки зрения безмассовые частицы одновременно являются собственными античастицами. Другими словами, «антифотон» и «антигравитон» идентичны соответственно фотону и гравитону.
Итак, мы имеем 4 лептона (1 из которых является антилептоном) и 4 бариона (2 из которых являются антибарионами).
Наша Вселенная (или, по крайней мере, та ее часть, которую мы имеем возможность изучать) крайне однобока в плане количества частиц по сравнению с античастицами. Практически вся она состоит из частиц, в то время как античастицы встречаются довольно редко, и существуют они всего лишь долю микросекунды.
Вполне закономерен вопрос: «А почему все так, а не иначе?» Большинство физиков считают, что все присутствующее во Вселенной вещество постепенно или мгновенно образовалось из энергии много-много лет назад.
Можно предположить, что вещество образуется в виде нейтронов, которые потом распадаются до протонов и электронов, или все эти три частицы образуются независимо друг от друга. А из избытка энергии образуются фотоны и гравитоны.
Но в случае образования нейтрона согласно закону сохранения барионного числа должен образовываться и антинейтрон. Затем в процессе распада этого нейтрона образуются антипротоны и позитроны, то есть общее количество образующихся частиц и античастиц будет одинаковым и любые мыслимые ряды образовавших Вселенную ядерных реакций будут иметь один и тот же результат.
Кроме того, если бы частицы и античастицы образовывались одновременно, они тут же бы перешли обратно в энергию в результате взаимной аннигиляции. В этом случае Вселенная образоваться бы не могла. Если частицы и античастицы и образовывались одновременно, то в условиях последующей полной изоляции друг от друга для исключения их взаимодействия.
Поэтому действие гравитации на отдельные субатомные частицы настолько мало, что его так и не удалось измерить. Существует вероятность того, что, в то время как частицы слабо притягиваются гравитационным полем, античастицы слабо им отталкиваются. Другими словами, античастицы создают «антигравитацию». В случае образования частиц и античастиц в огромных количествах их гравитационные поля начнут сильно отталкивать друг друга, в результате чего могут на огромном расстоянии друг от друга образоваться две Вселенные. Австрийский физик Морис Гольдгабер много размышлял о таком варианте. Он дал двум Вселенным названия «космон» и «антикосмон». Мы живем конечно же в космоне.
В космоне атомные ядра состоят из окруженных электронами протонов и нейтронов. В состоящем полностью из античастиц антикосмоне атомные ядра состоят из окруженных позитронами антипротонов и антинейтронов. Из этих атомов образуется так называемое антивещество.
Вселенная антивещества, скорее всего не поддающаяся наблюдению, полностью аналогична нашей. Там есть и «антигалактики», состоящие из «антизвезд», вокруг которых вращаются «антипланеты», и на них, возможно, есть «антижизнь» и даже разумные «антисущества», изучающие свою Вселенную так же, как мы изучаем свою.
Они заметят, что их Вселенная почти полностью состоит из того, что мы называем античастицами, а частицы в их Вселенной встречаются редко и существуют очень недолго. Хотя, скорее всего, они решат, что это их Вселенная состоит из частиц и вещества, а наша — из античастиц и антивещества, то есть их предположение будет точно таким же, как и наше.
Можно также предположить, что Вселенная всего одна, а вещество и антивещество разделены в ней на две равные порции. Эти отдельные порции представлены в виде галактик (или скоплений галактик), состоящих либо из вещества, либо из антивещества; и те и другие существуют во Вселенной одновременно.
Если даже это и так, то проверить очень сложно. Единственные имеющиеся у нас сведения о других галактиках — это их гравитационное влияние и излучения, а передают нам эти сведения гравитоны и фотоны, долетающие до нас из этих галактик. Как мы знаем, гравитоны и фотоны являются античастицами самих себя, и их могут испускать как галактики, так и антигалактики. Другими словами, раз антигалактика испускает те же фотоны и гравитоны, что и галактика, значит, по этим частицам невозможно определить, из галактики какого типа они прилетели. (Разве только окажется, что между веществом и антивеществом действует сила гравитационного отталкивания и существует такая вещь, как антигравитон. Впрочем, вероятность этого очень мала.)
Конечно же существует вероятность того, что галактика и антигалактика могут приблизиться друг к другу. Тогда в результате взаимной аннигиляции выделится количество энергии, во много раз превосходящее выделяемое в обычных условиях. Существуют галактики, испускающие необычно большое количество энергии, что в очередной раз поднимает вопрос существования антивещества в головах физиков-теоретиков.
В 1962 году были обнаружены странные объекты, получившие название «квазизвезды», или квазары. Они испускают излучение, мощность которого равняется излучению 100 галактик, вместе взятых, в то время как их размеры не превосходят 1–10 световых лет в диаметре (диаметр галактики же в среднем составляет 100 000 световых лет).
Однако при попытке объяснить это явление никто еще не использовал термин «антивещество». К антивеществу прибегнут лишь в самом крайнем случае, так как такое объяснение очень трудно проверить.
Глава 14.
ПРОЧИЕ ЧАСТИЦЫ
Нейтрино
В гл. 11 мы говорили о том, что в ходе ядерных реакций масса переходит в энергию согласно формуле Эйнштейна e = тс2. Это соответствие соблюдается и при полной аннигиляции частицы ее античастицей, и при образовании пары «частица — античастица» из энергии.
Несмотря на то что в большинстве случаев соотношение e = mc2 выполняется полностью, в случае с радиоактивными излучениями существует одно исключение.
Альфа-излучение закону сохранения энергии подчиняется. Когда материнский атом самопроизвольно распадется на дочернее ядро и альфа-частицу, сумма образовавшихся продуктов отличается от массы исходного ядра. Это различие выражается в кинетической энергии быстрой альфа-частицы. Так как в результате распада ядра одного и того же элемента образуются одни и те же продукты, и разница в массе, и кинетическая энергия должны быть одинаковыми. Другими словами, пучок альфа-частиц должен быть моноэнергетическим, каковым он в данном случае и является.
У некоторых веществ испускаемый пучок альфа-частиц можно условно разделить на две и более группы, каждая из которых будет моноэнергетической, но уровень ее энергии будет отличаться от уровня энергии другой. Объясняется это тем, что материнское ядро может существовать на различных энергетических уровнях. В возбужденном состоянии ядро обладает несколько большей энергией, чем в обычном, и образующиеся при распаде такого ядра альфа-частицы обладают большей кинетической энергией. Каждому энергетическому уровню материнского ядра соответствует определенная группа моноэнергетических альфа-частиц, но соотношение массы и энергии остается неизменным (то есть соблюдается закон сохранения энергии).
Предполагалась, что все вышесказанное справедливо и для элементов, ядра которых распадаются на дочернее ядро и бета-частицу. Казалось вполне закономерным, что такие бета-частицы также образуют моноэнергетический пучок или в крайнем случае небольшую группу моноэнергетических лучей.
Однако в 1900 году Беккерель обнаружил, что разброс значений уровня кинетической энергии у излучаемых бета-частиц гораздо шире. В 1914 году Джеймс Чедвик доказал существование «непрерывного спектра бета-излучения».
Из потери массы была высчитана максимальная энергия бета-частицы, однако лишь у некоторых частиц уровень равнялся максимальному значению. (Ни у одной частицы уровень энергий не превышал максимальный, так как энергия, к сожалению, не образуется из ничего.)
Уровень энергии у бета-частиц был самым разнообразным (в пределах максимального). Некоторые вообще практически не обладали кинетической энергией. Более того, значительная часть энергии вообще куда-то исчезла, и в течение всех 1920-х годов ученые так и не могли обнаружить куда.
Исчезновение энергии так же невозможно, как и ее образование. Хотя некоторые физики, включая Нильса Бора, и готовы были признать закон сохранения энергии недействительным для субатомных частиц, остальные отчаянно искали какое-то другое объяснение.
В 1931 году Вольфганг Паули предложил свое объяснение. Он предположил, что во время образования бета-частицы образуется еще одна бета-частица, которая как раз и несет «недостающую» энергию первой бета-частицы.
В этом случае эта гипотетическая частица должна обладать определенными свойствами. При излучении бета-частицы сохраняется электрический заряд, то есть общий заряд образовавшихся частиц такой же, как и заряд исходных частиц. Соответственно частица Паули должна быть незаряженной. В этом был определенный смысл, так как если частица была бы заряженной, то во время своего движения она бы ионизировала окружающие атомы, то есть ее можно было бы обнаружить, например, в камере Вильсона. Но обнаружить ее не удалось.
Кроме того, обшей заряд предложенной Паули частицы был очень небольшим — равным недостающему количеству кинетической энергии электрона. От энергии частицы зависит ее масса, а значит, у частицы со столь низкой энергией и масса должна быть небольшой. Вскоре выяснилось, что масса новой частицы должна составлять менее 1% от массы электрона, то есть она уж точно являлась безмассовой.
Энрико Ферми, сразу заинтересовавшийся теорией Паули, хотел было дать название новой частице — «нейтрон», но к тому времени Чедвик уже обнаружил тяжелую незаряженную частицу, которую мы называем нейтроном. Тогда Ферми добавил к понравившемуся названию итальянский уменьшительно-ласкательный суффикс, и получился «нейтрино» («маленький и нейтральный»), и название прижилось.
Физики прозвали незаряженную безмассовую частицу «призраком», так как ее невозможно было обнаружить ни по заряду, ни по массе. Ее существование было бы очень сложно принять на веру, пусть даже и ради спасения закона сохранения энергии, если бы нейтрино не спасли еще три закона сохранения.
Это стало очевидным после применения нейтрино к теории распада нейтронов. Нейтрон имеет период полураспада 12 мин и распадается на протон и электрон, причем кинетическая энергия вылетающего электрона может принимать различные значения. Тогда, по теории Паули, нейтрон распадается на три частицы: протон, электрон и нейтрино.
Распад нейтрона
Разница между распадом до трех частиц вместо двух очень важна с связи с законом сохранения количества движения (см. ч. I). Если нейтрон в состоянии покоя распадается лишь на две частицы, они должны разлететься в противоположном друг от друга направлении по прямой траектории. Только в этом случае закон сохранения количества движения будет соблюден.
Если же этот нейтрон распадется на три частицы, то две из них вылетят по одну сторону от проведенной через центр ядра воображаемой прямой линии и их общий импульс будет компенсирован импульсом третьей частицы, вылетающей в противоположную сторону.
В результате проведенных исследований распада нейтрона выяснилось, что образующиеся протон и электрон вылетают по одну сторону от проведенной через центр ядра воображаемой прямой линии и что для сохранения количества движения просто необходимо существование третьей частицы, вылетающей по другую сторону от этой линии.
Как только удалось понять сущность спина частиц, стало ясно, что нейтрино очень удобно использовать и в связи с законом сохранения углового момента (см. ч. I). Спин нейтрона, протона и электрона может принимать значение +½ либо –½. Предположим, что нейтрон распадется только на протон и электрон. Общий спин протона и электрона может быть равен +1, 0 или -1 (+½ и +½, –½ + ½ или –½ + –½). При любом раскладе общий их спин отличается от спина нейтрона (+½ или –½), то есть угловой момент не сохраняется.
Теперь предположим, что спин нейтрино может быть равен +½ или –½. Тогда общий спин трех частиц может быть равен +½ или –½, например +½, +½ и –½, то есть угловой момент сохраняется.
И наконец, третий, более тонкий закон сохранения. В предыдущей главе я говорил о законе сохранения барионного числа. Барионное число протона и нейтрона равно +1, а антипротона и антинейтрона –1. При распаде нейтрона барионное число сохраняется, так как из нейтрона (барионное число +1) образуется протон (барионное число +1).
А существует ли подобный закон для электронов, где число электрона будет равняться +1, а позитрона –1? Если мы рассматриваем только эти две частицы, то не будет. Например, в результате распада нейтрона образуется в том числе и один электрон, хотя в начале распада никаких электронов (или позитронов) нет.
Рассмотрим семейство электронов, включающее не только электроны и позитроны, но и нейтрино. Чтобы все сошлось, нам нужны еще и антинейтрино. Отличие антинейтрино от нейтрино заключается в направлении магнитного поля вращающейся частицы, как и в случае с нейтроном и антинейтроном (см. гл. 13). Электронное число нейтрино будет равно +1, а антинейтрино –1.
Теперь рассмотрим распад нейтрона с точки зрения вышесказанного. Электронное число нейтрона равно 0, так как он не является членом электронного семейства. Нейтрон распадается на протон (электронное число 0) и электрон (электронное число +1). Если добавить сюда и еще антинейтрино (электронное число –1) вместо нейтрино, то действует закон сохранения электронного числа (электронное число равно 0 до и после распада нейтрона).
Так же как и нейтрино, антинейтрино спасает законы сохранения энергии, количества движения и углового момента, а кроме того, добавляет еще один — закон сохранения электронного числа. Обозначив нейтрино как ν , а антинейтрино как ν–, можем записать следующую формулу распада нейтрона:
n0 → р+ + е— + ν–. (Уравнение 14.1)
С другой стороны, продуктом преобразования протона в нейтрон с испусканием позитрона (см. гл. 13) является частица с электронным числом –1. Для компенсации необходимо добавить еще и нейтрино (электронное число — 1). Запишем это:
p+ → n0 + е+ + ν0 . (Уравнение 14.2)
И действительно, допуская образование в ходе ядерных реакций нейтрино и антинейтрино, мы можем сохранить соблюдение четырех законов сохранения: энергии, количества движения, углового момента и электронного числа. Ради получения этой «компенсации в четырехкратном размере» придется признать существование нейтрино и антинейтрино независимо от того, можно их обнаружить или нельзя.
Взаимодействие нейтрино
Несмотря на косвенное доказательство существования нейтрино и антинейтрино через законы сохранения, физики решили успокоиться только после обнаружения этих частиц. Для того чтобы обнаружить нейтрино или антинейтрино, необходимо, чтобы эти частицы вступили в распознаваемое взаимодействие с другими частицами.
Например, в процессе распада нейтрона до протона испускается антинейтрон. А может ли происходить обратный процесс, то есть превращение протона в нейтрон в результате поглощения антинейтрино? Тогда в процессе поглощения антинейтрино могли бы остаться какие-либо распознаваемые следы.
К сожалению, вероятность поглощения антинейтрино очень мала. Период полураспада нейтрона до протона равен 12 мин.
Это означает, что существует 50%-ная вероятность испускания нейтроном протона за эти 12 мин. Отсюда следует, что, если антинейтрино находится в непосредственной близости от протона в течение 12 мин, существует 50%-ная вероятность поглощения его протоном.
Однако антинейтрино не может находиться в непосредственной близости от протона не то что 12 мин, а и одной миллионной доли секунды. Безмассовые частицы, такие как нейтрино, антинейтрино, фотон и гравитон, сразу же после образования начинают движение со скоростью света и продолжают двигаться с этой скоростью до самого момента поглощения. Это значит, что антинейтрино будет находиться в непосредственной близости от протона всего лишь в течение 10–28 с, а в этом случае вероятность взаимодействия между этими частицами крайне мала. Нейтрино и антинейтрино настолько малы, что для их поглощения необходимо твердое вещество толщиной в среднем 3500 световых лет.
Ситуация с фотоном диаметрально противоположна. Фотон также перемещается со скоростью света, однако, когда ситуация с энергией требует испускания атомов фотона, испускание происходит уже спустя 10–8. Соответственно для успешного поглощения фотона частица должна находиться в непосредственной близости от атома в течение всего лишь 10–8. Кроме того, длина волны фотона гораздо больше, чем нейтрино (если рассматривать обе частицы в виде волн), поэтому фотону для преодоления объекта необходимо больше времени, чем нейтрино, несмотря на то что обе частицы движутся с одинаковой скоростью.
Гамма-лучи поглощаются свинцовой плитой толщиной всего лишь 3 м. Видимый свет, длина волны которого еще больше, чем у гамма-лучей, настолько медленно проникает сквозь один атом, что поглощается веществом толщиной всего в несколько атомов.
Из этого вытекает одно очень важное для астрономии следствие. В процессе ядерного синтеза гелия из водорода протоны преобразуются в нейтроны, а вместе с фотонами образуются и нейтрино.
Фотоны несут 90–95% энергии, выделяемой солнечным ядром, в то время как нейтрино обладают лишь оставшимися 5–10% энергии.
Сразу после образования фотоны поглощаются и снова испускаются солнечным веществом; это повторяется снова и снова, поэтому в среднем сформировавшемуся в ядре фотону требуется около миллиона лет для того, чтобы добраться до поверхности Солнца и улететь в космос. Солнечное вещество является великолепным изолятором, о чем свидетельствует тот факт, что температура солнечного ядра составляет 15 000 000 C°, а температура поверхности, расположенной всего лишь на расстоянии 688 000 км, равна каким-то 6000 °C.
Однако образующиеся в ядре нейтрино не поглощаются солнечным веществом. Они пронзают солнечное вещество словно вакуум и со скоростью света вылетают наружу, достигая поверхности менее чем за 3 с. Столь быстрая потеря энергии снижает температуру солнечного ядра, но незначительно.
Некоторая часть солнечных нейтрино достигает Земли и проходит сквозь нее за 1/125 долю секунды. Через каждый квадратный сантиметр поперечного сечения Земли (и через нас с вами тоже) проходит около 10 млрд. нейтрино. Мы подвергаемся бомбардировке день и ночь, так как даже в ночное время стоящая на пути солнечных лучей Земля не защищает нас от нейтрино. С другой стороны, проходя через нас, нейтрино не вступают во взаимодействие с нашим организмом, поэтому они безвредны.
Существует возможность образования нейтрино и антинейтрино без участия протонов и нейтронов. Например, электронно-позитронная пара может образоваться из фотонов гамма-лучей, после чего электрон и позитрон вступают во взаимодействие и образуют нейтрино и антинейтрино:
e– + e+ → ν0 + ν–. (Уравнение 14.3)
В этой реакции энергия, заряд, количество движения, угловой момент, а также электронное число сохраняются. Общее электронное число электрона и позитрона равно 0, как и у нейтрино и антинейтрино.
Вероятность такого электронно-позитронного взаимодействия чрезвычайно мала даже при температуре солнечного ядра, поэтому его нельзя принимать за важный источник нейтрино. Впрочем, в ходе образования звезды ядро становится все горячее и горячее и вероятность преобразования фотонов в нейтроны через электронно-позитронную пару растет.
Подсчитано, что при температуре 6 000 000 000 °С преобразование фотонов в нейтроны идет настолько интенсивно, что нейтроны несут большую часть энергии ядра такой звезды. Нейтроны тут же покидают ядро, унося с собой столько энергии, что ядро взрывается. При этом выделяется огромное количество энергии. Предполагается, что именно в результате этого звезды взрываются, образуя сверхновые.
То, что вероятность взаимодействия нейтрино с другой частицей крайне мала, конечно же не означает, что такое взаимодействие невозможно. Необходимая для поглощения нейтрино толщина твердого материала в 3500 световых лет — это лишь усредненное значение. Для некоторых нейтрино требуется гораздо больше вещества, а для некоторых — гораздо меньше. Существует некоторая, пусть чрезвычайно малая, но не равная нулю вероятность того, что нейтрино поглотит вещество толщиной всего лишь в километр, а то и в несколько сантиметров.
В 1953 году американские физики Клайд Коуэн и Фредерик Райнес провели серию экспериментов, целью которых было доказать возможность такого взаимодействия. В качестве мишени для протонов они использовали огромные резервуары с водой (в воде много атомов водорода, ядра которых состоят из одного протона), поместив их на пути потока антинейтрино, испускаемых от термоядерного реактора. (Антинейтрино образовывались в результате быстрого преобразования нейтронов в протоны внутри ядер продуктов деления.)
Если согласно формуле, обратной формуле 14.1, для образования нейтрона антинейтрино должен присоединиться к протону, протон должен одновременно присоединить и электрон. Именно необходимость присоединения двух частиц одновременно сводит вероятность такой реакции практически до нуля. Однако поглощение электрона эквивалентно испусканию позитрона, и поэтому вероятное взаимодействие нейтрино и протона приобретает следующий вид:
ν– + p+ → e+ + n0. (Уравнение 14.4)
В ходе такой реакции барионное число сохраняется, так как вместо протона (+1) появляется нейтрон (+1). Сохраняется и электронное число — антинейтрино (–1) заменяется позитроном (–1).
Коуэн и Райнес подсчитали, что в используемой ими водной мишени взаимодействия антинейтрино и протона должны происходить 3 раза в час. Неудобство заключалось в том, что одновременно происходило и огромное количество других явлений, связанных с космическими лучами, паразитными радиоактивными излучениями и т. п. Вначале эти нежелательные явления происходили в несколько раз чаще, чем искомые реакции антинейтрино. Со временем их количество удалось сократить до допустимого предела с помощью мощного экранирования, отсеивающего большую часть поступающих извне субатомных частиц, но конечно же не представляющего преграды для антинейтрино.
Оставалось лишь точно и с максимальной долей уверенности зафиксировать взаимодействие антинейтрино. В процессе этого взаимодействия образуются позитрон и нейтрон. Позитрон сразу же вступает в реакцию с электроном, сопровождающуюся испусканием в противоположных направлениях гамма-лучей известного запаса энергии.
Образующийся в результате взаимодействия нейтрон через несколько миллионных долей секунды поглощается атомами кадмия (кадмий в форме соединения хлорида кадмия добавляется в воду как раз в целях поглощения нейтронов), после чего атом кадмия, приведенный лишним нейтроном в возбужденное состояние, испускает гамма-луч (а иногда и три гамма-луча) известной частоты. Именно эта цепочка событий — испускание двух гамма-лучей определенной частоты, а затем испускание еще одного гамма-луча определенной частоты — и является признаком существования антинейтрино. Насколько известно, никакая другая частица не вызывает аналогичной цепочки событий.
В 1956 году по этой характерной схеме гамма-излучения удалось обнаружить существование нейтрона. Предположение, сделанное Паули еще 25 лет назад, наконец-то подтвердилось.
Мюон
Пока Паули изучал непрерывный спектр бета-излучения, возник еще один, не менее сложный вопрос.
Объем атомного ядра составляет примерно 10–40 см. Сила электромагнитного отталкивания между находящимися столь близко друг к другу протонами колоссальна. Пока ученые считали, что в ядре также существуют и электроны, можно было предположить, что сила взаимного электромагнитного отталкивания электронов (которая также очень высока) компенсирует силу отталкивания протонов. Таким образом, электроны являлись «ядерным цементом». Внутреннее строение ядра объяснялось с точки зрения электромагнитных сил, как и взаимосвязь атомов и молекул.
Устойчивость ядра можно объяснить, лишь предположив, что между нуклонами существует действующая только на крайне небольшом расстоянии сила взаимного притяжения, гораздо сильнее силы отталкивания.
В начале 1930-х годов в результате развития квантомеханического анализа было сделано предположение, что сила, действующая на таком расстоянии, на каком действует электромагнитная сила, возникает за счет испускания и поглощения фотонов. Обменивающиеся фотонами заряженные частицы испытывают обменные силы.[142] Термин был предложен Гейзенбергом в 1932 году. По аналогии было сделано предположение, что сила гравитации действует за счет испускания и поглощения гравитонов (см. гл. 13).
И электромагнитные силы, и сила гравитации, разница между которыми заключается лишь в площади испускающей их поверхности, действуют на расстоянии космического масштаба.
Однако предполагаемая ядерная сила должна действовать лишь на крайне небольшом расстоянии: большом внутри ядра и незначительном — за его пределами. В большом атомном ядре ядерная сила должна действовать лишь в пределах его диаметра. Возможно, именно поэтому ядра более тяжелых элементов с такой легкостью вступают в реакцию деления ядра.
Японский физик Хидоки Юкава (1907–1981) задался целью выяснить механизм столь необычайно большой силы со столь коротким радиусом действия. Я расскажу вам о его умозаключениях в упрощенном виде, не вдаваясь в квантомеханические подробности. Согласно принципу неопределенности невозможно точно определить одновременно и местоположение, и импульс. Погрешность определения одного из них, умноженная на погрешность определения другого, приблизительно равна постоянной Планка. Местоположение и импульс можно заменить на энергию и время. Получается, что невозможно определить точное количество энергии системы в определенный момент времени. Всегда существует небольшой период, во время которого количество энергии невозможно определить точно. Погрешность измерения количества энергии, умноженная на погрешность определения времени, опять-таки приблизительно равна постоянной Планка.
В течение периода, во время которого невозможно точно определить количество энергии, протон, например, может испустить микрочастицу. Вообще-то у него для этого нет энергии, но за тот период, что мы не можем точно определить его энергию, протон легко может нарушить закон сохранения энергии, так сказать, совершенно безнаказанно, поскольку никто не может проконтролировать соблюдение этого закона.
К концу этого периода частица, которую испустил протон, должна вернуться на свое место, и протон снова уже будет подчиняться закону сохранения энергии. Частица, испускание и поглощение которой прошло так быстро, что ее невозможно обнаружить, называется виртуальной частицей. Теоретически она должна существовать, но нет способа обнаружить ее на практике.
За время своей жизни виртуальная частица может удалиться от породившего ее протона, но на ограниченное расстояние, так как она должна успеть вернуться до окончания периода своего существования. Чем тяжелее частица (и больше ее энергия), тем выше погрешность измерения этой энергии и меньше период существования виртуальной частицы, так как их произведение является константой при любых обстоятельствах. Значит, в случае увеличения погрешности измерения одной единицы пропорционально уменьшается погрешность измерения другой.
Даже если виртуальная частица двигается со скоростью света, она не может далеко улететь от протона, так как значение постоянной Планка очень мало, соответственно время существования частицы крайне мало. Как правило, расстояние, на которое виртуальная частица уходит от протона, недостаточно для столкновения этой частицы с другой частицей, за исключением ситуации, когда нейтроны и протоны находятся в непосредственной близости друг от друга, как, например, внутри атомного ядра. В этом случае одна из испускаемых протоном частиц может быть поглощена нейтроном до ее возвращения к протону. Именно такое испускание и поглощение виртуальных частиц и приводит к возникновению ядерной силы.
В 1935 году Юкава сделал предположение, что виртуальная частица является частицей обмена ядерной силы. В отличие от частиц обмена электромагнитной силы и силы гравитации частица обмена ядерной силы должна обладать массой, чтобы допустимое время ее существования было достаточно малым для ограничения радиуса ее действия до нужного значения. Юкава подсчитал, что масса такой виртуальной частицы должна быть примерно в 270 раз больше массы электрона. В этом случае допустимое время ее существования будет достаточно коротким, чтобы радиус ее действия был таким, каким, согласно наблюдениям, и должен быть радиус действия ядерной силы.
Так как масса виртуальной частицы — нечто среднее между массой легких электронов и тяжелых частиц, частица получила название «мезотрон» (от греч., означающего «средний»), которое быстро сократили до мезон.
Согласно теории Юкавы, в процессе обмена протон становится нейтроном, а нейтрон — протоном. Другими словами, мезон, переходя от одной частицы к другой, должен нести с собой электрический заряд. Получается, что такой мезон является положительным. В случае с антипротоном и антинейтроном ядро антивещества удерживает еще одна античастица — отрицательный мезон.
Вскоре выяснилось, что обменные силы действуют и между двумя протонами, и между двумя нейтронами, то есть должен существовать еще и нейтральный мезон. Такой нейтральный мезон является античастицей самого себя и связывает антипротон с антипротоном или антинейтрон с антинейтроном.
Протонно-нейтронные обменные силы больше протонно-протонных, а это значит, что коэффициент дефекта массы у ядра с комбинацией p-n меньше, чем у ядра с комбинацией p-p. Поэтому для преобразования комбинации p-n в p-p внутри ядра необходима энергия.
При переходе n в p небольшое количество энергии высвобождается (самопроизвольный распад нейтрона), но этой энергии не всегда достаточно для преобразования комбинации p-n в p-p. Поэтому в ядрах некоторых элементов нейтрон не превращается в протон, а остается неизменным; в этом случае ядро является стабильным.
Для доказательства мезонной теории Юкавы необходимо было, собственно говоря, обнаружить мезон. Внутри ядра его обнаружить невозможно, так как там мезоны являются лишь виртуальными частицами. Однако, если к ядру подвести достаточное количество энергии, можно получить мезон и без нарушения закона сохранения энергии. В этом случае мезон становится реальной частицей и может покинуть ядро.
Карл Андерсон, ранее обнаруживший среди оставленных космическими лучами в камере Вильсона следов позитрон, в 1936 году обнаружил след еще одной частицы, траектория полета которой отклонялась меньше, чем у электрона, но больше, чем у протона. Очевидно, что эта частица обладала средней массой, и поначалу физики решили, что это и была предсказанная Юкавой частица.
Но они ошиблись. Обнаруженная Андерсоном частица была лишь в 207 раз тяжелее электрона, то есть намного легче мезона. Кроме того, эта частица существовала лишь в двух вариантах — с положительным зарядом и с отрицательным, причем исходными частицами являются как раз последние; не было даже намека на существование незаряженной разновидности. Но хуже всего то, что частица не вступала во взаимодействие ни с протонами, ни с нейтронами, а юкавская частица должна вступать во взаимодействие с любым встретившимся на пути нуклоном. Мезон же Андерсона практически не вступал ни в какие взаимодействия.
Со временем стало ясно, что существует не один» а несколько различных мезонов и что мезон Андерсона не является частицей обмена, о которой говорил Юкава. Названиям различных типов мезонов присвоили различные приставки (обычно буквы греческого алфавита), и обнаруженный Андерсоном мезон получил название мю-мезон, вскоре сокращенное до мюона.
В ходе изучения свойств мюона выяснилось, что мюон очень похож на электрон. Обе частицы обладали одинаковым зарядом: и у электрона, и у мюона частицей является разновидность с отрицательным зарядом, а античастицей — с положительным. Спин и магнитные свойства мюона и электрона также совпадали. Отличались лишь масса и устойчивость.
Действительно, у любого взаимодействия с участием электрона есть аналог с участием мюона. До своего распада мюон может даже заменять электроны в атомах, образуя мезоатом. В этом случае должен сохраняться угловой момент. Если мы воспользуемся старомодным представлением об электроне как о вращающейся вокруг ядра частице и заменим электрон на мюон, то у вращающегося с той же скоростью, что и электрон, мюона орбита должна быть ближе к ядру. Тогда большая масса мюона компенсируется меньшим радиусом обращения и угловой момент сохраняется (см. ч. I).
Так как мюон в 207 раз тяжелее электрона, расстояние от ядра до мюона должно составлять 1/207 расстояния от ядра до электрона. Это означает, что в тяжелых атомах орбита мюона первого энергетического уровня должна быть внутри ядра! Тот факт, что мюон свободно вращается внутри ядра, доказывает, насколько мала тенденция мюона вступать во взаимодействие с протонами и нейтронами.
Расстояние между мезонными энергетическими уровнями таких мезоатомов намного больше, чем между электронными энергетическими уровнями обычных атомов. Вместо испускаемых и поглощаемых обычными атомами фотонов видимого света мезоатомы испускают и поглощают фотоны рентгеновских лучей.
Мюон является нестабильной частицей, превращающейся в электрон спустя примерно 2,2 с. Однако по субатомным меркам 2,2 с — это довольно долго, поэтому в этом плане мюон не очень-то и отличается от абсолютно стабильного электрона.
В общем, мюон — это не что иное, как «тяжелый электрон». Но почему тяжелый электрон настолько тяжелее обычного, да и почему он вообще существует, до сих пор неясно.
Пион
Хотя мюон и не оказался частицей Юкавы, ее все равно нужно было продолжать искать. В 1947 году английский физик Сесил Пауэлл (1903–1969) поместил в Андах (Боливия) фотопластинки и с их помощью обнаружил среди космических лучей следы мезонов. Эти мезоны были намного тяжелей мезонов Андерсона: их масса была в 273 раза больше массы электрона. Почти как у юкавских частиц.
Оказалось, что они активно взаимодействуют с атомными ядрами, как и должны себя вести юкавские частицы. Частица нового мезона несла положительный заряд, а античастица — отрицательный, как и частицы Юкавы. В конце концов удалось обнаружить и нейтральную разновидность этого мезона, масса которой была чуть ниже массы заряженных частиц (масса незаряженного мезона в 264 раза больше массы электрона).
Новый мезон получил название пи-мезон, или пион. Пион — это и есть та самая частица обмена, о которой говорил Юкава. Нейтроны и протоны состоят из облаков пионов, что было доказано в 1950-х годах Робертом Хофстедтером. Для этого ученый провел бомбардировку нейтронов и протонов электронами, разогнанными в линейном ускорителе до 600 Мэв. Рассеиваясь, электроны проходили сквозь протон, пробивая внешнее облако пионов[143].
Спин пионов отличается от спина других частиц. Значение спина большинства частиц, о которых мы говорили выше, — нейтрино, электрона, мюона, протона и нейтрона, а также их античастиц — равно ½. Частицы с таким нецелочисленным спином ведут себя согласно статистике Ферми — Дирака (математическому анализу, проведенному Ферми и Дираком), почему и получили общее название ферм ионы. Главное отличительное свойство всех фермионов — подчинение правилу запрета (см. гл. 5).
Спин фотона равен 1, а гравитона — 2. Эти и другие частицы с целочисленным спином, включая атомные ядра ряда элементов, ведут себя согласно статистике Бозе — Эйнштейна, разработанной Эйнштейном и индийским физиком Бозе (1904–1974). Такие частицы называются бозонами. Бозоны не подчиняются принципу запрета.
Из всех открытых частиц первыми отдельными частицами, спин которых равнялся 0, и первыми бозонами, обладающими массой, стали пионы.
Легкость, с которой пион вступает в реакцию с ядерными частицами, — яркий пример сильного взаимодействия реакции, характеризующегося высокой скоростью ее протекания. Движущийся практически со скоростью света пион находится в непосредственной близости от протона или нейтрона всего 10–23 с, однако этого времени вполне достаточно для сильного взаимодействия. Именно сильное взаимодействие удерживает микрочастицы внутри ядра, вопреки силам электромагнитного отталкивания.
Впрочем, существует и другой тип взаимодействия субатомных частиц, для начала которого необходимо гораздо больше времени — не менее одной стомиллионной доли секунды. Радиус такого слабого взаимодействия, как и сильного, очень мал, однако его интенсивность в триллион раз ниже интенсивности сильного взаимодействия. Хотя интенсивность слабого взаимодействия и ниже электромагнитного в 10 млрд. раз, оно все равно гораздо сильнее гравитационной силы, которая считается самой слабой силой в природе.
Раз пионы являются частицами обмена при сильном взаимодействии, у слабого взаимодействия также должны быть свои частицы обмена. Такая «слабая частица обмена» (обозначается w) должна быть еще более неуловимой, чем пион и фотон, но менее неуловимой, чем гравитон. Она должна быть бозоном, масса которого больше протона, но меньше пиона. Поэтому такую частицу и называют иногда средним бозоном. По некоторым данным, эту частицу удалось обнаружить, но информация еще не проверена.
Протон, антипротон, положительный пион и отрицательный ион могут вступать в следующие четыре вида взаимодействий: сильные, слабые, электромагнитные и гравитационные. Не обладающие электрическим зарядом нейтрон, антинейтрон и нейтральный пион не вступают лишь в электромагнитные взаимодействия, а электрон, позитрон, положительный мюон и отрицательный ион не вступают в сильные взаимодействия.
Больше всего в этом отношении «не повезло» нейтрино и антинейтрино. Они не вступают в сильные взаимодействия; они не обладают электрическим зарядом, поэтому не вступают в электромагнитные взаимодействия; не обладая массой, они не вступают в гравитационные взаимодействия. Нейтрино и антинейтрино вступают лишь в слабые взаимодействия. Поэтому появление в ходе распада частицы нейтрино или антинейтрино является верным признаком слабого взаимодействия. Слабым взаимодействием является, например, распад нейтрона.
Период полураспада свободного положительного или отрицательного пиона равен одной двадцати пяти миллиардной секунды, то есть образовавшиеся свободные пионы тут же распадаются на мюоны и нейтрино. Обозначив пионы как π, а мюоны как μ (греческая «мю»), запишем формулу распада положительного и отрицательного пионов:
π+ → μ+ + ν0, (Уравнение 14.5)
π– → μ– + ν0. (Уравнение 14.6)
Вначале физики предположили, что масса образующегося в ходе распада пиона нейтрино должна быть гораздо больше массы обычного нейтрино и, возможно, в 100 раз больше массы электрона. Какое-то время они называли такой нейтрино мю-мезонным, однако в ходе последующих исследований выяснилось, что продукт распада пиона является безмассовым нейтрино.
Что касается мюона, он является не только «тяжелым электроном», но полноправным членом семейства электронов. Поэтому отрицательному мюону можно присвоить электронное число +1, как у электрона, а положительному мюону электронное число –1, как у позитрона.
Тогда общее электронное число образующихся по формуле 14.5 положительного мюона (–1) и нейтрино (+1) равно 0, что совпадает с электронным числом исходного пиона (пион не является членом семейства электронов, поэтому его электронное число равно 0). Точно так же образование по формуле 14.6 отрицательного мюона (+1) требует образования и антинейтрино (–1), так как общее электронное число равно 0.
Трудность вызывает процесс распада мюона. Мюон распадается на электрон и два нейтрино. Если электронное число сохраняется, то один из нейтрино должен быть антинейтрино. Распад отрицательного мюона можно записать так:
μ– → e– + ν0 + ν– . (Уравнение 14.7)
Электронное число отрицательного мюона равно +1. Общее электронное число продуктов распада равно +1 (электрон –1, нейтрино +1 и антинейтрино –1). Электронное число сохраняется.
Но почему же тогда нейтрино и антинейтрино в некоторых случаях аннигилируют друг друга, превращаясь в энергию, а в других случаях происходит соединение частицы и античастицы? Если это так, то, возможно, в некоторых случаях мюон распадается только на электрон, а оставшаяся масса переходит в фотоны?
Впрочем, такого не наблюдается, и физики пришли к выводу, что образующиеся в процессе распада мюона нейтрино и антинейтрино не являются противоположными друг другу частицами. Возможно ли, что нейтрино образуется в связи с мюоном, а антинейтрино в связи с электроном и что мюоны и электроны образуют различные типы нейтрино?
В 1962 году это удалось проверить следующим способом. Пучок электронов очень высокой энергии направили на атомы бериллия, и в результате столкновения образовался поток интенсивных пионов. Пионы моментально распадались на мюоны и нейтрино, а затем все эти частицы ударялись о лист брони 13,5 м толщиной. Лист останавливал все частицы, за исключением нейтрино. Те свободно проходили сквозь броню внутрь детектора, где они вступали во взаимодействие с нейтроном, образуя протон и электрон или же отрицательный мюон.
Если существует лишь один тип нейтрино, то в процессе его распада отрицательные мюоны и электроны должны образовываться в равных количествах:
ν0 + n0 → p+ + e–, (Уравнение 14.8)
ν0 + n0 → p+ + μ–. (Уравнение 14.9)
Как видите, и в том и в другом случае барионное число сохраняется. Сохраняется и электронное число, так как и электронное число исходного нейтрино, и электронные числа образующихся электрона и отрицательного мюона равны +1. Во время субатомных взаимодействий все, что может произойти, происходит, поэтому физики и были уверены, что если существует лишь один тип нейтрино, то мюоны и электроны будут образовываться в равных количествах.
Как бы не так! Образовывались лишь отрицательные мюоны.
Это означало, что нейтрино, образующиеся в результате распада пионов на мюоны и нейтрино, являются мюон-нейтрино, особой разновидностью нейтрино, которое может образовывать только мюоны, но никак не электроны. Аналогично обычные нейтрино, образующиеся в связи с электронами и позитронами, являются электрон-нейтрино, и они могут образовывать только электроны или позитроны, но никак не мюоны.
Обозначив мюон-нейтрино как νμ а электрон-нейтрино как νe, перепишем формулы 14.1–14.6 следующим образом:
n0 → p+ + e– + ν–e, (Уравнение 14.10)
p+ → n0 + e+ + ν0e, (Уравнение 14.11)
e– + e+ → ν–e + ν–e, (Уравнение 14.12)
ν–e+ p+ → e+ + n0, (Уравнение 14.13)
π+ → μ+ + ν0μ, (Уравнение 14.14)
π– → μ– + ν–μ. (Уравнение 14.15)
В формулах 14.10–14.13 электронное число сохраняется. В формулах 14.14 и 14.15 вступает в силу закон сохранения мюнного числа. Мюонное число отрицательного мюона и мюон-нейтрино равны +1, а положительного мюона и мюон-антинейтрино равны –1. Как видите, в формулах 14.14 и 14.15 мюонное число и до, и после распада пиона равно 0.
Формула 14.7 описывает взаимодействие с участием и электронов, и мюонов. Мы можем переписать ее как:
μ– → e– + ν0μ + ν–e. (Уравнение 14.16)
В результате такого взаимодействия мюонное число сохраняется: мюонное число исходного отрицательного мюона и образующегося мюон-нейтрино равно +1. Кроме того, сохраняется и электронное число: среди исходных элементов членов семейства электронов нет, поэтому электронное число равно 0, а среди образующихся продуктов есть электрон (электронное число +1) и электрон-антинейтрино (электронное число –1), и их общее электронное число равно 0.
Точно так же распад положительного мюона будет выглядеть следующим образом:
μ+ → e+ + ν–μ + ν0e. (Уравнение 14.17)
В результате распада положительного мюона образуются позитрон, электрон-нейтрино и мюон-антинейтрино.
В ходе распада отрицательного или положительного мюона не происходит взаимной аннигиляции нейтрино и антинейтрино, так как они не являются античастицами. Взаимная аннигиляция приведет к нарушению законов сохранения электронного и мюонного чисел.
И электрон-нейтрино, и мюон-нейтрино являются безмассовыми незаряженными частицами со спином ½. До сих пор остается загадкой, чем же они отличаются друг от друга.
Рубеж
Были открыты и другие частицы, первая из которых была обнаружена в 1947 году. Все эти частицы, за исключением мюон-нейтрино (его существование не столько открыли, сколько осознали), являются тяжелыми нестабильными частицами и вступают в сильные взаимодействия.
Так, были открыты К-мезоны, или каоны, — целая группа частиц, масса которых в 996,5 раза больше массы электрона, то есть приблизительно равна среднему значению массы протона и пиона. Как и пионы, каоны имеют спин, равный 0, и являются бозонами, также существует положительный каон, являющийся частицей, и отрицательный, являющийся античастицей. Есть еще и чуть менее устойчивый — нейтральный каон, масса которого чуть ниже массы заряженного каона. Однако в отличие от пионов нейтральный каон не является собственной античастицей: существует нейтральный каон и нейтральный антикаон.
Были также открыты и более тяжелые, чем протоны и нейтроны, частицы. Все они делятся на три группы, получившие названия по трем буквам греческого алфавита: лямбда, сигма и кси.
В группе лямбда одна частица (нейтральная), в группе сигма — три частицы (положительная, отрицательная и нейтральная), и в группе кси — еще две частицы (отрицательная и нейтральная). У каждой частицы есть античастица. Масса частицы группы лямбда в 2182 раза больше массы электрона (то есть 1,18 от массы протона). Масса частиц группы сигма больше массы протона — примерно в 1,27 раза, а масса частиц группы кси еще больше массы протона — в 1,40 раза. Общее название всех этих частиц гипероны (от греческого «выше», так как их масса выше массы протона). Все гипероны являются фермионами.
Как и мюоны, которые могут замещать электроны внутри атома и образовывать мезоатомы, лямбда-гипероны могут замещать частицу внутри атомного ядра и образовывать короткоживущее гиперъядро.
В 1960-х годах было обнаружено несколько крайне короткоживущих частиц, период полураспада которых равнялся всего 10–23. Это — резонансные частицы. Пока неясно, являются ли они отдельными частицами. Возможно, это всего лишь кратковременные соединения двух и более частиц.
Огромное количество обнаруженных частиц привело физиков в замешательство, так как было очень сложно расположить их по порядку. Требовались новые законы поведения частиц.
Например, несмотря на то, что условия образования гиперонов свидетельствуют о том, что они являются частицами сильного взаимодействия, и несмотря на то, что продукты их распада также являются частицами сильного взаимодействия, тем не менее распад гиперона идет нехарактерно медленно. Распад, например, лямбда-гиперона можно представить в виде:
λ0 → p+ + π– , (Уравнение 14.18)
где λ (греческая заглавная «лямбда») обозначает лямбда-гиперон. В ходе этой реакции соблюдаются все известные законы сохранения. Сохраняется, например, спин, так как спин пиона равен 0. Сохраняется и барионное число, а гипероны являются барионами. (В данном случае пион не является членом ни одного из участвующих в реакции семейств частиц, числа которых сохраняются, поэтому он может совершенно свободно появляться и исчезать, не нарушая законов сохранения.) Так как по всем признакам описанное формулой 14.18 взаимодействие является сильным, оно должно происходить не более чем за 10–28 с (или около того). Однако взаимодействие длится в течение 2,5∙10–10 с, что в 10 трлн. раз дольше, чем должно быть, — невероятно долго по субатомным меркам.
Объяснение этому в 1953 году предложили независимо друг от друга два физика — американец Марри Гелл-Ман и японец Кацухико Нисидзима. Они предложили новую сохраняющуюся величину, которую Гелл-Ман назвал странность.
Странность всех членов электронной и мюонной семей, а также пионов, нуклонов и их античастиц равна 0. Все остальные частицы, странность которых не равна 0, имеют общее название «странные частицы». Странность каона равна +1; лямбда-гиперона и сигма-гиперона –1; а кси-гиперона –2. Их античастицы имеют конечно же противоположное значение числа странности.
Значения странности не были присвоены частицам произвольно, они вычислялись экспериментальным путем. Если странность исходной частицы равна нулю, то при ее распаде до частицы со странностью +1 обязательно должна образовываться и частица с числом странности –1. В этом случае странность сохраняется.
В описанном формулой 14.18 случае распада лямбда-гиперона (число странности -I) до протона (0) и пиона (0) странность не сохраняется, значит, такая реакция идти не может.
Однако закон сохранения странности распространяется только на сильные взаимодействия. Значит, распад лямбда-гиперона может иметь место, но только в результате слабого взаимодействия, для которого требуется гораздо больше времени. Поэтому, несмотря на все внешние признаки, формула 14.18 описывает все же слабое взаимодействие, что и объясняет долгий период полураспада лямбда-частицы.
Были обнаружены ограничения и у более старого закона сохранения четности.
Четность является величиной, которая сохраняется точно так же, как в мире цифр сохраняется четность/нечетность. Если четное число, например 8, представить в виде суммы двух меньших чисел, например 6 + 2 или 5 + 3, то оба этих числа будут либо четными, либо нечетными. Если в виде суммы двух меньших чисел представить нечетное число, например 7, то одно из них всегда будет четным, а второе — нечетным. Это же правило относится и к более сложным преобразованиям.
В 1956 году было обнаружено, что некоторые каоны распадаются на два пиона, а некоторые — на три. Так как пионам присвоена отрицательная четность, то два пиона являются четными, а три пиона — нечетными. Это означало, что существуют каоны с положительной четностью и каоны с отрицательной четностью.
Однако каоны отличались лишь способом распада, в то время как вес остальные их свойства были абсолютно идентичны. Изучая эту проблему, два китайских физика Ли Цзундао и Ян Чжэньнин с теоретической точки зрения объяснили, почему четность должна сохраняться лишь при сильных взаимодействиях, а при слабых ею можно пренебречь.
Существовала возможность проверить это. Уже в 1927 году Эуген Вигнер, изучив проблему, доказал, что сохранение четности означало отсутствие различий между левым и правым, или (что тоже самое) между ситуацией и ее зеркальным отражением. Этого можно достичь только в том случае, если все взаимодействия будут происходить симметрично в пространстве. Например, если ядро испускает электроны, оно должно испускать их во все стороны, чтобы зеркальное отражение было неотличимо от реальности. Если же электроны испускают преимущественно в одну сторону (скажем, влево), то при зеркальном отражении они будут испускаться преимущественно вправо, и реальность можно будет отличить от ее зеркального отражения.
Китайский физик By Цзяньсюн проверила теорию Ли Яна, используя для этого кобальт–60. Кобальт–60 во время слабого взаимодействия отдает электроны. By Цзяньсюн охладила кобальт–60 практически до абсолютного нуля, после чего подвергла его действию магнитного поля. В результате этого все ядра кобальта повернулись северными магнитными полюсами в одну сторону, а южными в другую. При температуре около абсолютного нуля ядрам не хватало энергии для того, чтобы противостоять выравниванию.
Оказалось, что электроны вовсе не испускаются во всех направлениях. Из южного магнитного полюса вылетало гораздо больше электронов, чем из северного. Эту ситуацию можно отличить от ее зеркального отражения, значит, закон сохранения четности применительно к слабым взаимодействиям не работает.
Соответственно в случае слабого взаимодействии каон вполне может иметь то положительную, то отрицательную четность.
Более общий закон сохранения совмещает четность и зарядовое сопряжение — величину, определяющую взаимообмен частиц и античастиц. Это значит, что изменение четности ведет к соответствующим изменениям в связи с античастицами. Так, антивещество кобальта–60 будет испускать позитроны, причем преимущественно с северного магнитного полюса. При сильном взаимодействии четность и зарядовое сопряжение сохраняются раздельно, а при слабом — вместе.
Гелл-Ман развил свою теорию, и в 1961 году он (и независимо от него израильский физик Юваль Нееман) организовал десятки частиц сильного взаимодействия по восьми сохраняющимся при сильном взаимодействии свойствам. Обосновав свою теорию с точки зрения теории групп (раздел высщей математики), назвал ее восьмеричный путь.
Например, работая с дельта-гиперонами (еще одна группа частиц с зарядами –1, 0, +1 и +2), Гелл-Ман поместил их под более тяжелыми сигма-гиперонами (заряды –1, 0 и +1), а над сигма-гиперонами — более тяжелые кси-гипероны (заряды –1 и 0).
По аналогии на вершину образующегося треугольника можно поместить еще более тяжелую частицу с зарядом –1. Гелл-Ман назвал эту частицу отрицательным омега-гипероном, так как омега является последней буквой греческого алфавита. Омега-гиперон обладает уникальными значениями различных сохраняемых величин, самым необычным из которых является значение странности (–3).
В 1964 году омега-гиперон был обнаружен, причем все его свойства, в том числе и странности, в точности совпадали с предсказанными. По своей значимости это открытие не уступает обнаружению элементов, существование которых было предсказано Менделеевым.
Именно на этом рубеже и находится сейчас физика — рубеже мира субатомных частиц, превратившемся за последние десятилетия в джунгли загадочных явлений. Возможно, если подобрать ко всем этим загадкам правильные отгадки, перед нами откроется разгадка всех физических тайн Вселенной.
[1] Несомненно, и до греков встречались мудрецы, и даже рационалисты, но, к несчастью, они нам неизвестны. Кроме того, труды предгреческих рационалистов пропали даром, потому что лишь греческая культура смогла оставить за собой рационалистическую философию, послужившую основой для современной науки.
[2] И все же можно только сожалеть, что древнегреческие философы не проводили некоторых простых экспериментов, которые не требуют никаких инструментов. Например, лист тонкого папируса падает медленно. Тот же самый лист, но смятый в маленький комок, падает гораздо быстрее. Почему, если его вес не изменился в результате того, что его смяли, изменилась скорость его падения? Вопрос настолько же простой, насколько принципиально важный для того, чтобы вызвать изменения в греческой теории движения, что с позиции сегодняшнего дня мы считаем абсолютно правильным.
[3] В России же Галилео Галилей, наоборот, больше известен по своей фамилии, то есть — Галилей. (Примеч. пер.)
[4] На самом деле имеется маленькая разница. Это не обнаруживается при падении с небольшой высоты, но становится видимым в случае, если оба веса были бы сброшены, например, с самолета. В этом случае более легкий вес был бы немного «придержан» и чуть-чуть бы отставал.
[5] Когда мы говорим, что a «прямо пропорционально» b, мы имеем в виду, что увеличение b приводит к увеличению а. Когда же, наоборот, увеличение b приводит к уменьшению а (например, при повышении цены товара число продаж может уменьшиться), мы говорим тогда, что a «обратно пропорционально» b.
[6] В русском языке для единиц измерения скорости более принято выражение «в секунду», а не «за секунду». (Примеч. пер.)
[7] Или, как его еще называют, — «перемещения». (Примеч. пер.)
[8] Поскольку данная книга не является официальным документом, я не буду знакомить вас с проблемами, которые еще необходимо решить. Я надеюсь, однако, что вы имели достаточно опыта в общении с алгеброй, чтобы понять, что уравнения в физике не только представляют существующие взаимосвязи в краткой и удобной форме, но также создают условия для более удобного решения проблемы, например найти значение специфического символа, когда значения других символов в уравнении известны или могут быть определены.
[9] Важные обобщения науки — это краткие описания поведения Вселенной, которые известны тем, что охватывают все наблюдаемые случаи. Как можно с уверенностью предположить, они также охватят и все ненаблюдаемые случаи, здесь или где-нибудь в другом месте, сейчас или в любое другое время. Такие обобщения иногда называются «законы природы». Такая фраза на самом деле не отражает всей полноты понятия, так как создает впечатление искусственности закона, сопоставления с законами человеческого общества, того, что наложено и может быть аннулировано как счет штрафа, и тому подобное. Все такие аналогии вводят в заблуждение. Поэтому было бы лучше употреблять выражение «обобщения Ньютона относительно движения». Однако все называют их «законами» движения, и, если бы я делал иначе, я просто показался бы слишком эксцентричным. Однако этой сноской я вас предупредил.
[10] Во времена Аристотеля Земля рассматривалась как неподвижное тело, стоящее в центре Вселенной; понятие «покой» поэтому имело буквальное, литеральное значение. В настоящее время то, что мы обычно понимаем под понятием «покой», означает состояние, при котором тело находится неподвижным относительно поверхности Земли. Но мы знаем (и Ньютон также уже знал), что сама Земля находится в движении относительно Солнца и относительно собственной оси. Тело, опирающееся на поверхность Земли, поэтому в действительности не может находиться в состоянии покоя вообще. Фактически именно проблема того, что же понимается под терминами «покой» и «движение», вызвала к жизни новое представление о Вселенной в форме «теории относительности» Альберта Эйнштейна, которую он выдвинул в 1905 году. В этой книге, однако, мы не столкнемся ни с какими осложнениями, если примем допущение, что под терминами «покой» и «движение» мы подразумеваем «покой относительно поверхности Земли» и «движение относительно поверхности Земли».
[11] Иногда говорят, что взгляд Эйнштейна на Вселенную «опровергает» взгляды Ньютона. Это слишком простая точка зрения. На самом деле взгляды Эйнштейна более приемлемы для более широкого диапазона обстоятельств. При обычных обстоятельствах, однако, эйнштейновское представление работает примерно идентично ньютоновскому представлению. В этой книге мы будем рассматривать только обычные обстоятельства, поэтому необходимости вовлекать теорию относительности не будет.
[12] Мы знаем из опыта, что, если отталкиваем от себя объект, он перемещается от нас; если же он уже перемешается, то это заставляет его перемешаться еще более быстро. Таким же образом, чтобы остановить перемещающееся тело, мы всегда прикладываем силу в направлении, противоположном его движению. Опыт подсказывает нам, что ускорение, произведенное силой, направлено в ту же сторону, что и сила.
[13] В английском языке, в отличие от русского, для обозначения термина «скорость» служат слова «speed» (скорость) и «velocity» (векторная скорость). Автор поясняет различие в смысле этих двух вариантов английского обозначения термина. В русских же учебниках физики обычно говорят о скорости только как о векторной величине. В данной книге автор в дальнейшем практически всегда под термином «скорость» понимает векторную скорость. (Примеч. пер.)
[14] Килограмм-метр на секунду в квадрате. (Примеч. пер.)
[15] Яблоко не падало ему на голову, несмотря на то что сотни карикатуристов утверждают обратное.
[16] В наше время, когда снаряды запускают за много миль, правильный выбор если требует большего, чем идеализированная парабола Галилео. На движение снаряда влияет множество факторов, таких, например, как кривизна поверхности Земли, изменение скорости вращения в зависимости от широты, величина сопротивления воздуха (которая изменяется в зависимости от высоты и температуры), сила и направление ветра, движение объекта, на который нацелено орудие, и объекта, несущего это орудие (если, например, оба объекта — военные корабли) и т. д. Однако все эти эффекты просто изменяют форму параболы, не затрагивая основного принципа, выведенного Галилео, который в своей базовой форме может служить только для представления очень упрошенной, но в то же время весьма полезной модели реальной ситуации.
[17] Однако из каждого правила можно изобрести исключение. Если бы Земля была полой, то в пределах пустоты не имелось бы никакой суммарной силы тяготения. Тело, находящееся в пределах этой пустоты, не было бы притянуто Землей. Однако это — искусственно придуманное исключение, которое не имеет никакого практического значения; любое тело, которое является достаточно большим, чтобы иметь поле тяготения значительной величины, является слишком большим, чтобы сохранять такую полую структуру.
[18] Однако обобщение Ньютона, рассматривающее тяжесть, — только аппроксимация и не является абсолютно правильным. Уже в середине XIX столетия было обнаружено, что планета Меркурий имеет в своем движении один маленький компонент, который нельзя было объяснить в соответствии с законом Ньютона. Он оставался необъясненным, пока Альберт Эйнштейн не выдвинул в 1915 году свою «Общую теорию относительности». Это теория — более продвинутая, мощная и спорная, чем «Специальная теория», вышедшая в 1905 году, — предлагала более широкое представление о Вселенной, чем то, что было выражено в законах Ньютона. При обычных условиях эти два представления были примерно одинаковы, однако в экстремальных условиях они расходятся, и, когда работа представлений проверяется на таких крайностях, кажется, что взгляды Эйнштейна больше соответствуют истине, чем взгляды Ньютона.
[19] Единицы измерения веса (фунт, унция и т. д.) использовались задолго до того, как Ньютон разработал свою концепцию массы. Единицы измерения веса были заимствованы и применены к массе, что стало «ошибкой, не подлежащей исправлению».
[20] Между прочим, масса тоже не полиостью постоянна. Однако изменения в массе объектов становятся важными только при экстремальных скоростях и вряд ли могут встретиться вам в обычной жизни.
[21] Сейчас, в начале XXI века, мы можем сказать: «Уже давно встали». (Примеч. пер.)
[22] Поскольку эта книга является «велением в физику, я не всегда буду давать деривацию используемых уравнения, так как это может вовлечь в разговор необъясненные концепции или математические методы, которые я предпочитаю не использовать.
[23] Под словом «система» подразумевается конечное число обсуждаемых тел, в данном случае двух хоккейных шайб, рассматриваемых вне связи с остальной частью Вселенной.
[24] Пожалуйста, не забывайте, что выражение «кажется невероятным» не означает «невозможно».
[25] Важно отметить фразу «из некоторого фиксированного положения», потому что термины «по часовой стрелке» и «против часовой стрелки» не являются абсолютными. Колесо может казаться поворачивающимся по часовой стрелке, когда вы смотрите на него с одной стороны, но если вы переходите на противоположную сторону, то рассматриваемое колесо будет казаться вам поворачивающимся против часовой стрелки. То же самое истинно, если мы говорим о поступательном движении, что тело двигалось «влево» или «право» или «к» и «от». Все эти термины имеют значение только тогда, когда вы учитываете ваше собственное расположение. Однако если вы говорите относительно «севера», «юга», «востока» или «запада», то эти термины устанавливаются относительно Земли и не зависят от вашего собственного расположения.
[26] Греческая буква π используется, чтобы представить отношение длины окружности (с) круга к его диаметру (d); другими словами, c/d = π). И хотя каждый круг может иметь различные значения с и d, отношение этих двух величин — c/d — всегда одно и то же для всех кругов. Поэтому π — константа, ее приблизительное значение равно 3.14159.
[27] В 2003 году, когда большинство стран мира перешли на единую систему единиц измерения, мощность двигателей автомобилей дается в киловаттах; мощность в лошадиных силах используется только как справочная величина. (Примеч. пер.)
[28] Более подробно о градусах Фаренгейта, градусах Цельсия, калориях и других подобных единицах мы поговорим позже — в 13-й и 14-й главах этой книги.
[29] Слово «период» происходит от греческих слов, означающих «круговой путь» или «круг», потому что первое движение, которое заинтересовало человечество с точки зрения измерения времени, затраченного на него, было конечно же круговое движение Солнца по небу, от одного восхода Солнца до следующего.
[30] Паникадило — огромная многоярусная люстра со свечами, свисающая в зал (неф) из-под купола собора. (Примеч. пер.)
[31] Греческая буква тэта «theta» ( θ) часто используется для представления углов.
[32] На самом деле струна (нить) также имеет массу, какой бы легкой она ни была. Таким образом, мы имеем массу, распределенную по линии маятника от отвеса до центра закрепления. В каждой данной точке струна обладает некоторой массой, которая зависит от разницы в длине струны. Это также истинно и для самого отвеса, различные части которого имеют различное расстояние от точки закрепления. В идеальном варианте маятник должен состоять из массивного отвеса с нулевым объемом, приложенным невесомой струной к центру закрепления. Такое устройство называется «идеальным или простым маятником» и, естественно, в реальном мире не существует. Однако, используя тяжелый отвес и легкую струну, можно сделать реальный маятник, который по своим свойствам будет приближен к идеальному маятнику. (У нас это называется «математическим» и «физическим» маятниками соответственно.) (Примеч. пер.)
[33] Отношение одной стороны прямоугольного треугольника к другой изменяется в соответствии с величиной углов прямоугольного треугольника. Для некоторого заданного угла эти отношения установлены, и каждому дано собственное название. Так как такие отношения изучаются в той части математики, которая называется «тригонометрией» (это слово по-гречески означает «измерение треугольников»), то такие отношения называются «тригонометрическими функциями». Синус представляет собой пример такой тригонометрической функции. Пока мы не будем подробно вникать в сущность тригонометрических функций. Достаточно будет сказать, что мы можем легко получить таблицы, которые дадут нам значение синуса или любой другой тригонометрической функции, составленных для углов различной величины.
[34] Но маятниковый механизм все-таки используется в наручных часах «с автоподзаводом» — там качание маятника, через систему колес, производит подтягивание главной пружины. (Примеч. пер.)
[35] Авторский термин. (Примеч. пер.)
[36] Слово «газ» было введено в обращение примерно в 1600 году фламандским химиком Яном Баптистом Ван Гельмонтом (1577–1644), который, скорее всего, образовал его от греческого слова, означающего «хаос».
[37] Если мы возьмем достаточно мощный микроскоп, неровность становится явной, в чем легко убедиться. В частности, это происходит потому, что материя в действительности не непрерывна, а состоит из дискретных частиц, называемых «атомами». В данном контексте нас это не волнует, а позже в этой книге данный вопрос будет рассмотрен более подробно.
[38] Подразумевается, что давление по столбу не меняется с его высотой, по крайней мере когда мы рассматриваем жидкости; действительно, для малых давлений эта величина настолько мала, что ею можно пренебречь. Однако для газов это будет не так.
[39] Это не совсем точно, так как имеется капиллярный эффект, но о нем позже.
[40] В твердых телах различные частицы, составляющие их сущность, выровнены в установленных и организованных положениях (в то время как в жидкостях они перемещаются практически свободно). По этой причине силы сцепления между соседними частицами о твердых телах ориентированы в определенных направлениях и имеют очень значимую величину.
[41] Это авторский термин. У нас принято название «свободная поверхностная энергия», или «свободная энергия пограничного слоя», или просто — «свободная энергия». (Примеч. пер.)
[42] Стекло не является твердым телом, несмотря на то что это кажется очевидным, доказательством этого является отсутствие некоторых характеристик, свойственных твердым телам. Стекло, например, не имеет кристаллической структуры или фиксированной точки плавления. Указанный случай стекла — достаточное свидетельство того, что различие между твердым телом и жидкостью не столь уж четко, как могло бы ожидаться, исходя из наиболее общих примеров. Действительно, большинство различий в жизни и в науке — искусственно созданные человеком соглашения и упрощения, приложенные к очень сложно организованной Вселенной; такие различия не могут не стать нечеткими, как только мы начинаем внимательно вникать во все детали.
[43] Это не совпадение. При введении метрической системы в 1790 году французские ученые определили грамм как вес одного кубического сантиметра воды при постоянных, установленных температурных условиях.
[44] Hg — этим химическим символом обозначается ртуть.
[45] Этот эффект называется «эффектом карбюрации», и именно на нем построены все карбюраторы, работающие в двигателях внутреннего сгорания. (Примеч. пер.)
[46] Питчер — в бейсболе игрок, бросающий мяч. (Примеч. пер.)
[47] Закон Бойля, как выяснилось, только аппроксимация, но это очень полезная аппроксимация и в случае некоторых газов очень близкая к истине.
[48] При определенных условиях молекулы различаются по своей природе, а атомы изменяют свои комбинации и расположение на новые. Эти изменения в структуре и расположении атомов в молекулах являются предметом изучения науки, называемой «химия».
[49] Авторские термины. (Примеч. пер.)
[50] Камертон или любое другое воспроизводящее звук устройство также разрежает воздух, действуя против его собственного давления, что также требует затрат энергии. Аргументы при рассмотрении этого аспекта абсолютно аналогичны тем, которые мы используем при рассмотрении сжатия.
[51] Логарифмом числа называется его экспонента, выраженная в степенях числа 10. Например, 102 равно 10∙10, или 100; 103 равно 10∙10∙10, или 1000. Поэтому логарифм 100 равен 2, а логарифм 1000 равен 3. Благодаря использованию логарифмов мы преобразуем геометрический ряд (такой ряд, в котором каждый член получен посредством умножения предшествующего на некоторую установленную величину) в арифметический (где каждый член получается из предшествующего посредством сложения с некоторой величиной). В ряде 10 — 100 — 1000 — 10 000 — 100 000 и т. д. каждый следующий член получен посредством умножения предыдущего на число 10. Если вместо этого написать логарифмы чисел, то мы получим ряд вида 1 — 2 — 3 — 4 — 5 и т. д., где каждый следующий член получен посредством прибавления к предыдущему единицы. Наши органы чувств в целом работают, производя преобразование геометрического ряда в арифметический. Если какое-либо раздражение в 100 000 больше, чем другое того же самого вида, то орган чувств, воспринимающий это раздражение, обнаруживает его как, скажем, в пять раз более интенсивное, что соответствует логарифмическому подходу. Таким образом, органы чувств могут воспринимать огромный диапазон интенсивностей. Рассказанное выше является сутью «закона Вебера — Фехнера», названного так в честь двух немецких ученых: Эрнста Генриха Вебера (1795–1878), который впервые сформулировал этот закон, и Густава Теодора Фехнера (1801–1887), который популяризировал его.
[52] Более подробно вопрос температур и температурных шкал будет рассмотрен дальше.
[53] Авторский термин. (Примеч. пер.)
[54] Две ноты «гоняются друг за другом» только с точки зрения числа гребней, создаваемых в единицу времени, а не в смысле скорости. Обе ноты распространяются в пространстве с одной и той же скоростью. В действительности скорость звука не зависит от частоты.
[55] В нашей стране принято обозначение этих трезвучий соответственно как «тоника», «доминанта» и «субдоминанта». (Примеч. пер.)
[56] У нас существуют гораздо более удобные понятия «тона» и «полутона». Таким образом, отношения, указанные в предыдущем абзаце, составляют «тон», а указанные в данном абзаце — «полутон». В дальнейшем мы будем для удобства пользоваться русской терминологией. (Примеч. пер.)
[57] У нас принято отсчитывать интервалы от до большой октавы, частота которой равна 64/с, то есть частота до первой октавы равна 256/с. Однако в музыке более важной является не частота звука, а точное соотношение между звуками, то есть величина интервала. Поэтому данная разница не имеет большого значения. (Примеч. пер.)
[58] Физики часто используют для С частоту 256/с, потому что, такое число является степенью числа 2. Оно представляет собой 2x2x2x2x2x2x2x2, или 28.
[59] От английского слова, означающего «неизменяемый». (Примеч. пер.)
[60] Для того чтобы нагреть все стекло, требуется значительное время. поскольку оно обладает очень низкой теплопроводностью.
[61] Данное утверждение не всегда строго истинно… монокристалл может расширяться на различные величины в различных направлениях в зависимости от существующих взаимосвязей между составляющими его молекулами и атомами. В этом отношении кристалл может иметь и многие другие свойства, которые будут изменяться в зависимости от направления. То есть с этой точки зрения он «анизотропен». Однако существующие вокруг пас обычные материалы, как правило, не являются кристаллическими, или если они и кристаллические, то они составлены из несметного количества крошечных кристаллов, каждый из которых связан с другими такими же. Но тогда свойства кристаллов будут в среднем одинаковые во всех направлениях, а материя будет «изотропной». Мы обычно рассуждаем о свойствах окружающей нас материи, как будто она изотропна, потому что это проще в рассмотрении, но не стоит забывать, что анизотропия не является очень редким явлением. Например, все мы знаем, что намного легче расколоть деревянный брусок «по волокнам», чем против волокон».
[62] Это может сразу не показаться очевидным. Однако если число больше единицы, то квадрат и куб данного числа — еще большие величины. Чем больше число, тем больше становятся и его квадрат, и куб. Таким образом, 10 в квадрате равно 100, а 10 в кубе — 1000. В то же время 100 в квадрате равно 10 000, а 100 в кубе — 1 000 000. Положение кардинально меняется для чисел меньше единицы. Квадрат и куб таких чисел становятся тем меньше, чем больше степень, в которую возводится число, с другой стороны, чем меньше исходное число, тем меньше становятся его квадрат и куб. Таким образом, 1/10 в квадрате равна 1/100, а 1/10 в кубе равна 1/1000. Если мы вернемся к рассматриваемому коэффициенту теплового расширения стали, который численно равен 1/100000, то увидим, что его квадрат равен 1/10 000 000 000, а куб — 1/1000 000 000 000 000.
[63] Важно помнить, что многие научные обобщения являются справедливыми только при определенных диапазонах давления, температуры и множестве других факторов окружающей среды. Это не затрагивает полноценность обобщения в пределах рассматриваемого диапазона, но нельзя ожидать, что они будут полезны нам. когда мы вышли за границы этого диапазона.
[64] Фактическое значение абсолютного нуля, согласно новейшим современным исследованиям, равно –273,16 °С.
[65] Однако покончить с неразберихой не так уж и просто. Например, t обозначает не только температуру по Цельсию, но также, и очень часто, — время. Сейчас в физике используются все буквы латинского и греческого алфавитов, а также некоторые буквы из иврита, санскрита и других языков, строчные, прописные, подстрочники и субскрипты, написанные курсивом, жирным шрифтом или готическим письмом, и все равно, невзирая на такое обилие символов, имеются многочисленные случаи их совпадения. По этой причине при представлении любого уравнения всегда желательно описывать значение каждого из символов и никогда не допускать, что значение любого из них — самоочевидно.
[66] Просто — напоминание… Величина, обратная a, равна 1/a, а величина, обратная 1/а, равна а.
[67] В данном случае «среднее» — не есть число, которое мы можем получить обычным арифметическим способом, сложив значения и разделив полученную сумму на количество значений. Оно скорее представляет собой «квадратный корень» (√) из суммы квадратов арифметических значений величин. Таким образом, если мы имеем два значения, например 4 и 6, то обычное среднее значение равно (4 + 6)/2, или 5. Среднеквадратичное же значение равно √(42+62)/2, или √26, или 5,1.
[68] Так как многие из свойств газов изменяются вместе с температурой и давлением, то обычной практикой является указание точной температуры и давления, при которых проводились измерения. В целях стандартизации обычно используют температуру в 0 °С и давление в 1 атмосферу или приводят к ним измерения, сделанные при других давлении и температуре. Данные значения — 0 °С и 1 атмосферу — назвали «стандартными условиями температуры и давления», или, сокращенно, STP (от английских слов «standard conditions оf temperature and pressure»).
[69] Газ, который существует только при повышенной температуре, обычно называют «паром».
[70] «Внутренняя энергия» вещества состоит из кинетической энергии составляющих его частиц плюс энергия, вовлеченная в межмолекулярные соединения.
[71] В нашей физической литературе «конвекцией» называется не перенос теплоты, а перемещение потоков газа или жидкости под воздействием внешних сил, разности температур и/или давлений. (Примеч. пер.)
[72] Первый закон термодинамики утверждает: «Вы не можете победить…», а второй закон термодинамики добавляет: «И даже — не пытайтесь…»
[73] Карно создал понятии «тепловой машины» и «цикла идеальной тепловой машины» — основополагающие понятия, на которых основывается вся термодинамика, а не только рассмотрел паровые двигатели. Автор явно преуменьшает роль Карно и не рассматривает подробно его открытия. (Примеч. пер.)
[74] Обнаружив в природе новую, не известную никому величину, Клаузиус назвал ее странным и непонятным словом «энтропия», которое сам и придумал. Он так объяснил его значение: «тропе» по-гречески означает «превращение». К этому корню Клаузиус добавил две буквы «эн», чтобы получившееся слово было по возможности подобно слову «энергия». Обе величины настолько близки друг другу своей физической значимостью, что известное сходство в их названиях было целесообразно. (Примеч. пер.)
[75] Мы могли бы продолжить дальше, рассмотрев вопросы возникновения Солнца, поскольку его формирование обязано было вовлечь обширное уменьшение энтропии, такое, чтобы дать возможность Солнцу продолжать свое излучение в течение многих миллиардов лет, непрерывно и намного увеличивая энтропию. Однако рассмотрение вопросов, касающихся Солнца и происходящих с ним и вне его процессов, мне кажется, было бы более подходящим в книге, посвященной астрономии.
[76] Фактически именно такое аккуратное объяснение их и было единственной причиной того, почему жидкостная теория продолжала существовать, несмотря на нарастающее количество фактов, свидетельствующих против нее. Она только и ждала удобного момента, чтобы сдать свои позиции какой-либо другой, более удобной теории.
[77] Это не подразумевает, что в конечном счете все скорости будут точно равны, если только имеется достаточное количество столкновений. Если два объекта, обладающие равной скоростью, сталкиваются, велика вероятность того, что скорость одного увеличится за счет того, что скорость другого упадет. Слишком большое число «падений скорости» становится также маловероятным. Вместо этого число «падений скорости» доходит до некоторой точки и останавливается. При некоей данной температуре «падение скорости» приводит к диапазону скоростей, предсказанному уравнениями Максвелла — Больцмана. Меньший и более ограниченный диапазон скоростей расширяется до этого значения благодаря столкновениям, в то время как более широкий диапазон благодаря тем же столкновениям сужается до того же значения.
[78] В самые сильные телескопы можно различить свет, прошедший через 35 000 000 000 000 000 000 миль вакуума.
[79] Строго говоря, если бы атмосфера была сжата до плотности воды, ее высота составляла бы всего 33 фута; слой воды такой толщины в значительной мере сохранит прозрачность.
[80] На самом деле слово «нормально» стало нам настолько знакомо своим значением естественности, распространенности, сообразности, что его первоначальное значение «строго перпендикулярный к плоскости или другой линии» уже почти забыто.
[81] Синус угла лучше всего представить следующим образом: возьмем один из острых углов правильного треугольника. Синус угла в данном случае равен отношению длины противоположной стороны треугольника к длине гипотенузы. Существуют таблицы значений синусов для разных углов, их можно найти во многих учебниках. Так, можно легко найти, что синус 10°17' равен 0,17852, а синус 52°48' равен 0.79653.
[82] Любое твердое тело с параллельными боковыми поверхностями и многоугольным сечением, будучи разрезанным под углом к этим поверхностям, является призмой. Если его сечение является треугольником (треугольная призма), то именно это тело обычно и называется призмой, как таковой, хотя это только один случай из бесконечного множества.
[83] В применении к линзам термин «астигматизм» — не то же самое, что в применении к глазу. В линзах он получается тогда, когда источник света находится не на главной оси линзы. В таком случае свет попадает на линзу под углом и фокусируется не в точку, а в линию света.
[84] Изложение деталей этого процесса более уместно в учебнике по химии и здесь рассматриваться не будет.
[85] Измерения видимого диаметра Луны приборами показывают, что на самом деле на горизонте он чуть меньше, чем в зените, поскольку на горизонте к расстоянию до Луны добавляется еще и радиус Земли. Поэтому на горизонте Луна находится на 2 процента дальше и соответственно занимаемый ею угол на 2 процента меньше.
[86] Мальчик играл с линзами вместо того, чтобы работать, — делайте выводы.
[87] Каждый цвет света имеет свою «длину волны». Это будет обсуждаться в следующей главе.
[88] Еще не решено окончательно, эта ли трехцветная система описывает способ, которым цвета различает глаз человека, но ее вполне можно использовать в практических целях — для производств цветных фотографий и телевизионного изображения.
[89] Обратите внимание, что эти изменения не влияют на скорость света. Длина волны может уменьшаться или увеличиваться в зависимости от того, как движутся друг относительно друга источник света и наблюдатель; однако, длинны ли волны или коротки, они все движутся с одной скоростью.
[90] Такое сочетание противоречит «здравому смыслу», но такие соображения не должны стоять на пути принятия гипотезы. Мы воспринимаем своими чувствами очень ограниченную часть Вселенной, и наш опыт ограничивается очень узкой группой явлений. Поэтому опасно предполагать, что то, что кажется нам знакомым, должно быть истинным для всей Вселенной во всех своих аспектах. Например, в соответствии со «здравым смыслом» следует полагать, что Земля плоская и недвижимая, и этот аргумент усиленно использовался для того, чтобы оспаривать представление о Земле как о сферической и движущейся.
[91] Пропущенный свет движется наружу сначала сквозь стеклянную плоскость. По возвращении он попадает на слой серебра и отражается, не входя в стекло. Отраженный же свет сначала проходит через стекло, прежде чем дойти до слоя серебра, отразившись, снова проходит сквозь стекло и третий раз делает это на пути обратно. Поэтому на пути пропускаемого света ставилась вторая стеклянная плоскость, идентичная первой. Он должен был проходить сквозь нее на пути туда и обратно, и таким образом каждый луч света проходил через одинаковую толщу стекла. Михельсон очень старался, чтобы оба луча находились в одинаковых условиях.
[92] Тот, кому будут любопытны подробности этих вычислений, может обратиться к с. 807–810 моей книги «The New Intelligent Man's Guide Science», Basic Book. 1965.
[93] Эти частицы гораздо меньше, чем атомы, и из них атомы состоят. О них мы поговорим подробнее в III части этой книги.
[94] Это не то же самое, что просто сказать, что абсолютного движения не существует. Все, что ученым известно о физической Вселенной, основано прямо или косвенно на наблюдении и измерении. Если некое явление нельзя ни наблюдать, ни измерить в реальных обстоятельствах, то в рамках экспериментальной науки его следует считать несуществующим. Существует ли оно на самом деле, будучи ненаблюдаемым и неизмеряемым, остается интересным вопросом для философов и теологов, но абсолютно не имеющим значения для ученых.
[95] Это часто выражают как «тело не может двигаться быстрее света», но это не совсем так. Лишь данные измерений всегда будут показывать скорость меньше, чем скорость света. Вполне вероятно, что во Вселенной существуют объекты, движущиеся со скоростями (относительно нас) больше скорости света, но мы эти тела не можем ни видеть, ни ощущать и соответственно не можем измерить их скорость.
[96] Гамма-лучи являются формой светоподобной радиации, которая будет обсуждаться в III части данной книги.
[97] Большинство единиц измерения в электричестве и магнетизме названы в честь ученых, известных своей работой в этой области. Гаусс и Вебер установили первую логическую систему единиц измерения электричества и магнетизма. Вклад Максвелла будет изложен в гл. 14.
[98] Точно мы так и не знаем, что такое электрический заряд. Однако мы можем описать, как действует электрически заряженное вещество, и можем измерить величину этого действия и, таким образом, величину электрического заряда. Это опытное определение электрического заряда, и его достаточно, чтобы удовлетворить ученых, по крайней мере на время.
[99] Протон имеет такой же по величине, но положительный заряд. Обнаружено, что все внутриатомные частицы имеют заряд, в точности равный заряду электрона, или заряд, в точности равный заряду протона, или не имеют вообще никакого заряда. И отрицательный и положительный заряды, кажется, передаются в определенном размере и ни в каком другом. Почему это так, до сих пор не ясно.
[100] В результате этих экспериментов, которые привлекли внимание публики, сокращение мышцы человека как реакцию на электрический шок (или на любое другое неожиданное ощущение или даже сильную эмоцию) и стали называть «гальванизацией».
[101] Так как электрический поток может поддерживаться одной температурой, то мы способны вырабатывать постоянный ток посредством сжигания керосина (без какого-либо движения). Как мы увидим в главе 12, в XIX веке были очень популярны и другие способы получения постоянного тока при помощи сжигания топлива, но именно возможности термоэлектричества вызвали обновленный интерес в XX веке. Особенно интересна возможность использования Солнца в качестве источника производства температурной разницы, тогда солнечную энергию станет возможным использовать для генерации термоэлектричества, которое будет производиться в огромных масштабах. Это стало бы наиболее желанным дополнением к энергоресурсам человека.
[102] Движение электронов — это не то же самое, что электрический ток. Электроны движутся с определенной не очень высокой скоростью, но сила, приводящая их в движение, движется гораздо быстрее. Если выстроить шашки в ряд и щелкнуть еще по одной шашке так, чтобы она ударилась об этот ряд с одного края, то она ударится о ряд шашек и остановится (может быть, даже слегка отскочит). Шашки, в которые она ударится, останутся приблизительно на своем месте, но крайняя шашка с другой стороны отскочит, продолжая движение шашки, по которой щелкнули. Сами шашки почти не двигались, но момент силы передался по лилии шашек со скоростью, которая зависит от эластичности материала, из которого эти шашки сделаны. Таким же образом, независимо от реальной скорости электронов, электрическая сила передается сквозь любое вещество со скоростью света.
[103] Даже проводка, хоть ее сопротивляемость и настолько низка, насколько это вообще возможно, имеет сопротивление. Проводка последовательно соединена с объектом, к которому ведет, и в самой проводке существует некоторая разность потенциалов, хотя и небольшая, порядка одного-двух вольт.
[104] Естественно, если разность потенциалов достаточно высока, ток будет иметь значительную силу при любом сопротивлении. Огромная разность потенциалов между облаками или между облаками и землей, существующая во время грозы, является достаточной, чтобы электрический заряд смог преодолеть большие расстояния, заполненные воздухом. И человек может воспроизводить это явление в меньших масштабах («рукотворные молнии»). Однако обычный электрический ток, с которым мы имеем дело, не представляет опасности, так как не может преодолеть даже маленькие расстояния, заполненные воздухом.
[105] Это в том случае, если батарейка имеет цилиндрическую форму. Если батарейка квадратная, то полюса располагаются несколько по-другому.
[106] Продолжаются попытки разработать батареи на основе веществ, являющихся более привычными для нас видами топлива. Такие батареи должны работать на смеси водорода, метана, спирта или даже угля с кислородом. В некоторых случаях для проведения нужных химических реакций привлекаются и бактерии. Топливные батареи были бы гораздо дешевле, чем привычные нам химические батареи. Если бы стало возможным получение электричества напрямую из сжигания топлива и более эффективным образом, чем это делается сейчас, что будет подробнее описано в двух следующих главах, — это произвело бы революцию в различных секторах нашей экономики. Топливные батареи сейчас находятся в стадии разработки, и уж точно их не было в конце XIX века, когда началась электрификация промышленных районов земного шара.
[107] Об этой демонстрации ходит известная легенда, возможно недостоверная. Некая женщина, наблюдавшая за демонстрацией, задала вопрос: «Мистер Фарадей, а какая от всего этого польза?» — на что ученый вежливо ответил: «Мэм, а какая польза от новорожденного ребенка?» По другой версии, этот вопрос задал Уильям Эварт Гладстоун (тогда свежеиспеченный член парламента, будущий четырехкратный премьер-министр). Ответ Фарадея по этой версии гласил: «Сэр, через двадцать лет вы будете получать с этого налоги».
[108] Конечно, применение электричеству можно найти и в отсутствие моторов, как это происходит, например, в тостерах и электрических лампах, где требуется только один нагрев и никакого механического движения.
[109] Не стоит воспринимать это как насмешку над Фарадеем, который был поистину одним из величайших ученых всех времен. Его интуиция было просто гениальной. Хотя его система воззрений вырабатывалась и без помощи тщательно разработанного математического анализа, она оказалась прочной. Когда в конце концов ее проверили математически, выяснилось, что Фарадой был полностью прав.
[110] К сожалению, это дифференциальные уравнения, в которых применяется исчисление, а в этой книге мы исчисления не затрагивали. Поэтому мы упомянем об уравнениях Максвелла, но приводить их не будем.
[111] Однако описание того, каким образом световые волны с частотой колебаний в сотни триллионов могут производиться электромагнитно, смогло появиться только через полвека, пока квантовую теорию (о которой во времена Максвелла нельзя было и мечтать) не применили к описанию внутренней структуры атома (о которой во времена Максвелла ничего не знали). То, как это случилось, будет описано о III части этой книги.
[112] Температуру можно представить как среднюю кинетическую энергию всех движущихся частиц вещества (см. ч. I). А энергия, как и вещество, тоже состоит из микрочастиц (см. ч. II).
[113] Ссылки на части I и II настоящей книги обозначаются: см. ч. I, см. ч. II, а ссылки внутри этой части указывают на главу: см. гл….).
[114] Название пока не зарегистрировано.
[115] Как только ученые смогли более глубоко изучить структуру веществ, оказалось, что все эти утверждения не верны. Однако к тем веществам, с которыми в основном работали ученые в XIX веке, эти утверждения вполне применимы. Утверждения Дальтона — это «первое приближение», именно благодаря им исследователи пошли по верному пути и, собрав достаточно информации, сделали правильные выводы. В научном мире далеко не всегда важно быть абсолютно правым, да и не всегда понятно, кто прав, а кто нет. Важно быть правым для своего времени, и Дальтон для своего времени был прав.
[116] Не следует забывать, что вес — это не то же самое, что масса (см. ч. I), и в данном случае корректнее было бы говорить об «атомной массе», а не об «атомном весе». Однако, как это часто случается, неверное обозначение прочно вошло в научную литературу и стало настолько известным, что стало невозможно его изменить. Как ми прискорбно, но с этим придется смириться.
[117] В большинстве случаев удобно округлять значение атомного веса до целого или до десятков. Когда нужны более точные измерения, используются более точные цифры.
[118] Эти частицы называются электронами. Электроны еще меньше, чем атомы. Я подробно расскажу об электронах чуть позже.
[119] Электричество более подробно описано во II части.
[120] Как выяснилось позже, Аррениус ошибался, полагая, что ионы образуются под влиянием электричества. Например, атомы хлорида натрия постоянно существуют в форме ионов. Тем не менее Аррениус, как и Дальтон, был прав для своего времени.
[121] Франции, щелочной металл с еще большим, чем у цезия, атомным весом, в природе практически не встречается.
[122] Альфа-частицы — это тяжелые, передвигающиеся с огромной скоростью частицы радиоактивных веществ, чья проникающая способность гораздо выше, чем у электронов.
[123] Эта картина атома стала весьма популярной в обществе, может быть, потому, что делала атом похожим на что-то уже известное. Несмотря на то что на смену планетарной модели атома приходили все более и более сложные, она прочно обосновалась в умах далеких от физики людей. В частности, было написано огромное количество научно-фантастических рассказов, где атомы воспринимались как крошечные солнечные системы: ядро являлось солнцем, электроны — планетами, иногда даже населенными человекоподобными существами.
[124] По аналогии вращающаяся вокруг Солнца Земля также должна постоянно испускать «гравитационное излучение». Однако сила притяжения настолько слабее электромагнитной (см. ч. II), что потери энергии в результате гравитационного излучения крайне малы. Пройдут многие триллионы лет, прежде чем Земля потеряет хоть сколь-нибудь заметную часть своей кинетической энергии. Электрон же находится под влиянием силы, во много раз превосходящей гравитацию, и поэтому ядро притянет его крайне быстро.
[125] Вообще-то это число принято обозначать строчной латинской «l », но начертание строчной буквы схоже с начертанием цифры «1», поэтому во избежание путаницы, я и использую прописную «L».
[126] Впрочем, в 1964 году английский физик Поль Адриен Морис Дирак (1902–1984) опроверг это утверждение, доказав, что эти две теории вовсе не равносильны и матричная механика более точно отражает действительность.
[127] Под действием ультрафиолетового излучения флуоресцирующие вещества начинают ярко светиться. В темноте зрелище очень красивое.
[128] В последние годы этим положительно заряженным частицам было найдено поистине поразительное применение. Наиболее легко отдает хотя бы часть своих электронов атом цезия, более того, атом цезия относительно тяжелый. Поток ионов цезия, разогнанный током определенной силы и вырывающийся из двигателя ракеты, будет согласно третьему закону Ньютона (см. ч. I) толкать ракету в противоположном направлении. Конечно же мощность потока даже очень тяжелых ионов — ничто по сравнению с мощностью форсажных двигателей, но зато действие этого потока продолжительное. После того как топливные двигатели выведут ракету за пределы атмосферы в открытый космос, ионный двигатель будет медленно разгонять се до скорости света. Это — самый экономичный и, скорее всего, единственный способ путешествовать в космосе на длительные расстояния.
[129] Собственно говоря, это правило справедливо только для тех элементов, атомный вес которых приблизительно является целым числом. О том, как работает это правило применительно к другим элементам, я расскажу ниже.
[130] У вас может возникнуть вопрос: а что же удерживает 7 положительно заряженных частиц вместе, не давая им оттолкнуться друг от друга в отсутствие «цементирующего» электрона? Ответ на этот вопрос я дам ниже.
[131] Впрочем, небольшие различия в химических свойствах все же есть. Это особенно характерно для атомов легких элементов, так как один изотоп такого элемента тяжелее другого и поэтому проявляет меньшую активность. Однако эта разница настолько незначительна, что в большинстве случаев ею можно пренебречь.
[132] Или же изотопы с настолько низким уровнем радиоактивности, что их можно также считать стабильными.
[133] А почему не точно? См. гл. II
[134] В разных частях света слово «биллион» имеет разные значения. Например, для американца эта миллиард (1 000 000 000), в то время как для англичанина — биллион (1 000 000 000 000). То, что американцы называют биллионом, англичане назовут «тысячей миллионов». В Великобритании 1 000 000 000 электронвольт называют гигаэлектронвольт (Гэв).
[135] О природе этого излучения я расскажу ниже.
[136] Эти излучений называются космическими лугами. Мы рассмотрим их ниже.
[137] Попытки повторить опыт шведов провалились. Элемент 102 удалось получить методами, отличными от использованных в институте Нобеля, и название «нобелий» до сих пор официально не принято.
[138] Ядерную энергию часто называют атомной энергией; словосочетание используется даже в некоторых официальных названиях, например «Управление атомной энергетики». Это неправильно, так как электроны являются такой же полноправной частью атома, как и ядро, и энергия, выделяемая» процессе химических реакций электронного обмена, имеет право называться «атомной энергией». Однако нельзя полностью стереть из языка такие неправильные наименования, как «атомная энергия», «атомная подводная лодка» и «атомная бомба», и заменить их на более правильные «ядерные подводные лодки» и «ядерные бомбы». Я использую в этой книге термин «ядерный» исключительно из принципа, а не потому, что надеюсь что-либо изменить.
[139] До 1938 года Майтнер пребывала в относительной безопасности, так как она была подданной Австрии, однако в 1938 году Австрия в принудительном порядке присоединилась к фашистской Германии.
[140] Об этих реакциях, а также синтезе гелия и других реакциях жизненного цикла звезды уместнее говорить в учебнике по астрономии.
[141] В одном случае чувствительность была слишком уж сильной. В 1903 году уважаемый французский физик Проспер Блондло сообщил о существовании нового типа излучения, возникающего при растяжении металлов. Он и его коллеги сделали массу докладов об этом излучении, и Блондло назвал его «Н-лучами», по названию города Нэнси, где располагался университет, в котором он работал. Несомненно, Блондло действительно считал, что открыл новое излучение, однако Н-лучи оказались всего лишь иллюзией, доклады безосновательными, и карьера фишка была загублена. Этот эпизод является ярким примером того, Что и ученые могут ошибаться, и не всему тому, что «научно доказано», стоит верить.
[142] Вообще-то физики постепенно отказываются от слова «сила», предпочитая для описания результатов испускания и поглощения фотонов использовать термин «взаимодействие».
[143] Подобные открытия заставляют задуматься, какие же из субатомных частиц являются элементарными, то есть не состоящими из еще более мелких и простых частиц. Да и существуют ли такие частицы вообще? Справедлив ли термин «элементарные частицы»? В настоящий момент физики не могут дать ответа на эти вопросы.
Дата: 2019-07-24, просмотров: 175.
