Aatomipommi vanavanaisa. Uraani tuuma lõhustumine

6. Subatomaarsete osakeste maailm

Aatomi poolitamine

Sageli öeldakse, et teadusi on kahte tüüpi – suured teadused ja väikesed. Aatomi poolitamine on suur teadus. Sellel on hiiglaslikud katserajatised, kolossaalsed eelarved ja see saab lõviosa Nobeli auhindadest.

Miks pidid füüsikud aatomi poolitama? Lihtne vastus – mõista, kuidas aatom töötab – sisaldab vaid osa tõest, kuid sellel on üldisem põhjus. Ei ole täiesti õige rääkida sõna-sõnalt aatomi lõhenemisest. Tegelikkuses räägime suure energiaga osakeste kokkupõrkest. Kui suurel kiirusel liikuvad subatomaarsed osakesed põrkuvad, sünnib uus interaktsioonide ja väljade maailm. Tohutut anergiat kandvad mateeriakillud, mis pärast kokkupõrget laiali paiskuvad, varjavad endas looduse saladusi, mis “maailma loomisest” jäid maetud aatomi sügavustesse.

Seadmed, kus suure energiaga osakesed põrkuvad – osakeste kiirendid – on oma suuruse ja maksumuse poolest silmatorkavad. Nende läbimõõt ulatub mitme kilomeetrini, mistõttu isegi osakeste kokkupõrkeid uurivad laborid tunduvad sellega võrreldes väikesed. Teistes valdkondades seadmed asuvad laboris kõrgenergia füüsikas, laborid on kinnitatud kiirendi külge. Hiljuti eraldas Genfi lähedal asuv Euroopa Tuumauuringute Keskus (CERN) mitusada miljonit dollarit ringkiirendi ehitamiseks. Selleks rajatava tunneli ümbermõõt ulatub 27 km-ni. Kiirendi nimega LEP (Large Electron-Positron ring) on mõeldud elektronide ja nende antiosakeste (positronite) kiirendamiseks kiiruseni, mis jääb valguse kiirusest vaid juuksekarva kaugusele. Energia skaala aimu saamiseks kujutage ette, et elektronide asemel kiirendatakse sellise kiiruseni pennimünt. Kiirendustsükli lõpus oleks sellel piisavalt energiat 1000 miljoni dollari väärtuses elektri tootmiseks! Pole üllatav, et selliseid katseid klassifitseeritakse tavaliselt "kõrge energiaga" füüsikaks. Rõnga sees üksteise poole liikudes kogevad elektronide ja positronite kiired laupkokkupõrkeid, mille käigus elektronid ja positronid annihileeruvad, vabastades energiat, mis on piisav kümnete teiste osakeste tootmiseks.

Selliste ebastabiilsete lühiealiste osakeste sortide arv on hämmastav: neist on juba teada mitusada. Nagu tähed, on ka ebastabiilseid osakesi liiga palju, et neid nime järgi tuvastada. Paljud neist on tähistatud ainult kreeka tähtedega ja mõned lihtsalt numbritega. Oluline on meeles pidada, et kõik need arvukad ja mitmekesised ebastabiilsed osakesed ei ole sugugi sõna otseses mõttes komponendid

Umbes kakskümmend aastat tagasi olid füüsikud täiesti hämmingus uute subatomaarsete osakeste arvust ja mitmekesisusest, millel näis olevat lõppu. Sellest oli võimatu aru saada Mille eest nii palju osakesi. Võib olla, elementaarosakesed sarnanevad loomaaia elanikega oma kaudse perekondliku kuuluvuse tõttu, kuid ilma selge taksonoomiata. Või ehk, nagu mõned optimistid on uskunud, peituvad elementaarosakesed universumi võti? Millised on osakesed, mida füüsikud jälgivad: kas tähtsusetud ja juhuslikud ainefragmendid või meie silme ette kerkivad ebamääraselt tajutava korra piirjooned, mis viitavad alamtuumamaailma rikkaliku ja keeruka struktuuri olemasolule? Nüüd pole sellise struktuuri olemasolus kahtlust.

Mikromaailmas on sügav ja ratsionaalne kord ning me hakkame mõistma kõigi nende osakeste tähendust.

Esimene samm mikromaailma mõistmise suunas tehti kõigi teadaolevate osakeste süstematiseerimise tulemusena, nii nagu 18. sajandil. bioloogid koostasid üksikasjalikke taime- ja loomaliikide katalooge. Subatomiliste osakeste olulisemad omadused on mass, elektrilaeng ja spin. Kuna mass ja kaal on omavahel seotud, nimetatakse suure massiga osakesi sageli "rasketeks". Einsteini suhe E = mc^ 2 näitab, et osakese mass sõltub selle energiast ja seega ka kiirusest. Liikuv osake on raskem kui statsionaarne. Kui nad räägivad osakese massist, siis nad mõtlevad seda tõsiselt

puhkemass,

kuna see mass ei sõltu liikumisolekust. Nullmassiga osake liigub valguse kiirusel. Kõige ilmsem näide nulli puhkemassiga osakesest on footon. Arvatakse, et elektron on kõige kergem nullist erineva puhkemassiga osake. /2. Prooton ja neutron on ligi 2000 korda raskemad, samas kui laboris loodud raskeim osake (Z-osake) on umbes 200 000 korda suurem elektroni massist. 1/2, ja footoni spin on 1. Tuntud on ka osakesed spinniga 0, 3/2 ja 2. Fundamentaalsed osakesed mille spinn on suurem kui 2, pole leitud ja teoreetikud usuvad, et selliste spinnidega osakesi ei eksisteeri.

Osakeste pöörlemine - oluline omadus, ja olenevalt selle suurusest jagunevad kõik osakesed kahte klassi. Osakesi spinnidega 0, 1 ja 2 nimetatakse "bosoniteks" – India füüsiku Chatyendranath Bose järgi ja pooltäisarvulise spinniga osakesi (st spinniga 1/2 või 3/2). - "fermionid" Enrico Fermi auks. Kuulumine ühte neist kahest klassist on osakese tunnuste loetelus ilmselt kõige olulisem.

Osakese teine oluline omadus on selle eluiga. Kuni viimase ajani usuti, et elektronid, prootonid, footonid ja neutriinod on absoluutselt stabiilsed, s.t. neil on lõpmatult pikk eluiga. Neutron jääb tuumas "lukustatuna" stabiilseks, kuid vaba neutron laguneb umbes 15 minutiga. Kõik teised teadaolevad osakesed on väga ebastabiilsed, nende eluiga ulatub mõnest mikrosekundist 10-23 sekundini. Sellised ajaintervallid tunduvad arusaamatult väikesed, kuid ei tasu unustada, et valguse kiirusele lähedase kiirusega lendav osake (ja enamik kiirendites sündinud osakesi liigub just sellistel kiirustel) suudab mikrosekundiga lennata 300 m kaugusele.

Ebastabiilsed osakesed lagunevad, mis on kvantprotsess ja seetõttu on lagunemises alati mingi ettearvamatuse element.

Konkreetse osakese eluiga ei saa ette ennustada. Statistiliste kaalutluste põhjal saab ennustada ainult keskmist eluiga. Tavaliselt räägitakse osakese poolestusajast – ajast, mille jooksul identsete osakeste populatsioon väheneb poole võrra. Katse näitab, et populatsiooni suuruse vähenemine toimub eksponentsiaalselt (vt joonis 6) ja poolväärtusaeg on 0,693 keskmisest elueast. Füüsikutele ei piisa teadmisest, et see või teine osake on olemas – nad püüavad aru saada, mis on selle roll. Vastus sellele küsimusele sõltub ülaltoodud osakeste omadustest, samuti osakesele väljast ja seest mõjuvate jõudude olemusest. Esiteks määrab osakese omadused tema võime (või suutmatus) osaleda tugevas vastasmõjus. Tugevas interaktsioonis osalevad osakesed moodustavad eriklassi ja neid nimetatakse andronid. Osakesi, mis osalevad nõrgas vastasmõjus ja ei osale tugevas vastasmõjus, nimetatakse mis tähendab "kopsud". Heidame põgusa pilgu igale neist peredest.

Leptonid

Leptonitest tuntuim on elektron. Nagu kõik leptonid, näib see olevat elementaarne, punktitaoline objekt. Teadaolevalt puudub elektronil sisemine struktuur, s.t. ei koosne muudest osakestest. Kuigi leptonitel võib olla või mitte olla elektrilaeng, on neil kõigil sama spin 1/2, seetõttu klassifitseeritakse nad fermioonideks.

Teine tuntud lepton, kuid ilma laenguta, on neutriino. Nagu juba mainitud peatükis. 2, neutriinod on sama tabamatud kui kummitused. Kuna neutriinod ei osale ei tugevas ega elektromagnetilises vastasmõjus, ignoreerivad nad peaaegu täielikult mateeriat, tungides sellest läbi, nagu poleks seda üldse olemaski. Neutriinode kõrge läbitungimisvõime pikka aega muutis nende olemasolu katselise kinnitamise väga keeruliseks. Alles peaaegu kolm aastakümmet pärast seda, kui neutriinosid ennustati, avastati need lõpuks laboris. Füüsikud pidid ootama tohutul hulgal neutriinosid kiirgavate tuumareaktorite loomist ja alles siis suutsid nad registreerida ühe osakese laupkokkupõrke tuumaga ja seeläbi tõestada, et see on tõesti olemas. Tänapäeval on võimalik teha palju rohkem katseid neutriinokiirtega, mis tekivad kiirendis osakeste lagunemisel ja millel on vajalikud omadused. Valdav enamus neutriinodest "ignoreerib" sihtmärki, kuid aeg-ajalt suhtlevad neutriinod siiski sihtmärgiga, mis võimaldab teil saada

Vaatamata oma immateriaalsusele on neutriinod teiste teadaolevate osakeste seas erilisel positsioonil, kuna need on universumis kõige levinumad osakesed, ületades elektronide ja prootonite arvu miljardi võrra ühele. Universum on oma olemuselt neutriinode meri, milles on aeg-ajalt aatomite kujul esinevaid lisandeid. On isegi võimalik, et neutriinode kogumass ületab tähtede kogumassi ja seetõttu on neutriinodel põhiline panus kosmilisse gravitatsiooni. Nõukogude teadlaste grupi sõnul on neutriinodel väike, kuid mitte null, puhkemass (vähem kui kümnetuhandik elektroni massist); kui see on tõsi, siis domineerivad universumis gravitatsioonilised neutriinod, mis võivad tulevikus põhjustada selle kokkuvarisemise. Seega on neutriinod, esmapilgul kõige kahjutumad ja kehatumad osakesed, võimelised põhjustama kogu universumi kokkuvarisemise.

Teistest leptonitest tuleb mainida 1936. aastal kosmiliste kiirte vastasmõju produktidest avastatud müüon; osutus, et see on üks esimesi teadaolevaid ebastabiilseid subatomilisi osakesi. Kõigis aspektides, välja arvatud stabiilsus, meenutab müüon elektroni: tal on sama laeng ja spinn, ta osaleb samades interaktsioonides, kuid sellel on suurem mass.

Umbes kahe miljondiku sekundiga laguneb müüon elektroniks ja kaheks neutriinoks. Muonid on looduses laialt levinud ja moodustavad olulise osa kosmilisest taustakiirgusest, mille Geigeri loendur Maa pinnal tuvastab.

Paljude aastate jooksul jäid elektron ja müüon ainsteks teadaolevateks laetud leptoniteks. Seejärel, 1970. aastate lõpus, avastati kolmas laetud lepton, mida kutsuti tau leptoniks. Umbes 3500 elektronmassi suuruse massiga tau lepton on ilmselgelt laetud leptonite kolmiku "raskekaal", kuid kõigis muudes aspektides käitub ta nagu elektron ja müüon. See teadaolevate leptonite nimekiri pole sugugi ammendatud. 60ndatel avastati, et neutriinosid on mitut tüüpi. Neutriinosid on kolme sorti ja leptoneid on kokku kuus (tabel 1). Loomulikult on igal leptonil oma antiosake; seega on erinevate leptonite koguarv kaksteist.

Tabel 1

Kuus leptonit vastavad laetud ja neutraalsetele modifikatsioonidele (antiosakesed ei ole tabelis). Massi ja laengut väljendatakse vastavalt elektroni massi ja laengu ühikutes. On tõendeid selle kohta, et neutriinodel võib olla väike mass

Hadronid

Erinevalt käputäiest teadaolevatest leptonitest on hadroneid sõna otseses mõttes sadu. Juba see viitab sellele, et hadronid ei ole elementaarosakesed, vaid on ehitatud väiksematest komponentidest.

Kõik hadronid osalevad tugevas, nõrgas ja gravitatsioonilises vastasmõjus, kuid neid leidub kahes variandis – elektriliselt laetud ja neutraalsed. Hadronitest on kõige kuulsamad ja laiemalt levinud neutronid ja prootonid. Ülejäänud hadronid on lühiealised ja lagunevad kas vähem kui ühe miljondiku sekundiga nõrga interaktsiooni tõttu või palju kiiremini (ajaga 10-23 s) – tänu tugevale vastastikmõjule.

1950. aastatel olid füüsikud äärmiselt hämmingus hadronite arvu ja mitmekesisuse pärast. Kuid järk-järgult klassifitseeriti osakesed kolme olulise tunnuse järgi: mass, laeng ja spin. Tasapisi hakkasid ilmnema korra märgid ja selge pilt. On vihjeid, et andmete näilise kaose taga on peidus sümmeetriad. Otsustav samm hadronite mõistatuse lahtiharutamisel saabus 1963. aastal, kui Murray Gell-Mann ja George Zweig California Tehnoloogiainstituudist pakkusid välja kvarkide teooria.

Joonis 10 Hadronid on ehitatud kvarkidest. Prooton (ülemine) koosneb kahest up-kvargist ja ühest d-kvargist. Kergem pion (alumine) on meson, mis koosneb ühest u-kvargist ja ühest d-antikvargist. Teised hadronid on kõikvõimalikud kvarkide kombinatsioonid. Selle teooria põhiidee on väga lihtne. Kõik hadronid on ehitatud enamast peened osakesed, mida nimetatakse kvarkideks. Kvargid saavad üksteisega ühenduse luua kahel võimalikul viisil: kas kolmikutena või kvarkide-antikvarkide paaridena. Suhteliselt rasked osakesed koosnevad kolmest kvargist - barüonid,"vaheosakesed". Selle nime valik on seletatav asjaoluga, et esimesed avastatud mesonid asusid massiliselt elektronide ja prootonite vahel. Et võtta arvesse kõiki tol ajal tuntud hadroneid, võtsid Gell-Mann ja Zweig kasutusele kolm erinevat tüüpi (“maitset”) kvarke, mis said üsna väljamõeldud nimed: Ja(alates üles-ülemine), d(alates alla - madalam) ja s (alates imelik- kummaline). Lubades erinevate maitsekombinatsioonide võimalust, saab seletada suure hulga hadronite olemasolu. Näiteks prooton koosneb kahest ja- ja üks d-kvark (joonis 10) ning neutron koosneb kahest d-kvargist ja ühest u-kvargist.

Et Gell-Manni ja Zweigi pakutud teooria oleks tõhus, on vaja eeldada, et kvargid kannavad murdosa elektrilaengut. Teisisõnu, neil on laeng, mille väärtus on kas 1/3 või 2/3 põhiühikust – elektroni laengust. Kahe ja kolme kvargi kombinatsiooni kogulaeng võib olla null või üks. Kõigil kvarkidel on spin 1/2. seetõttu klassifitseeritakse nad fermioonideks. Kvarkide masse ei määrata nii täpselt kui teiste osakeste masse, kuna nende sidumisenergia hadronis on võrreldav kvarkide endi massidega. Samas on teada, et s-kvark on raskem ja- ja d-kvargid.

Hadronite sees võivad kvargid olla ergastatud olekus, sarnaselt aatomi ergastatud olekutega, kuid palju suurema energiaga. Ergastatud hadronis sisalduv liigne energia suurendab selle massi nii palju, et enne kvarkide teooria loomist võtsid füüsikud ekslikult ergastatud hadroneid täiesti erinevate osakeste jaoks. Nüüdseks on kindlaks tehtud, et paljud näiliselt erinevad hadronid on tegelikult vaid sama kvarkide põhikogumi ergastatud olekud.

Nagu juba mainitud peatükis. 5, kvarke hoiab koos tugev vastastikmõju. Kuid nad osalevad ka nõrkades interaktsioonides.

S-kvarkide olemasolu on vajalik nn “kummaliste” osakeste - 50ndate alguses avastatud raskete hadronite - ehitamiseks. ja- Nende osakeste ebatavaline käitumine, mis viitas nende nimele, seisnes selles, et nad ei saanud tugevate vastastikmõjude tõttu laguneda, kuigi nii nad ise kui ka nende lagunemissaadused olid hadronid.

Füüsikud on hämmeldunud, miks, kui nii ema- kui ka tütarosakesed kuuluvad hadronite perekonda, ei põhjusta tugev jõud nende lagunemist. Millegipärast eelistasid need hadronid palju vähem intensiivset nõrka vastasmõju. Miks? Kvarkide teooria lahendas selle mõistatuse loomulikult. Tugev interaktsioon ei saa muuta kvarkide maitset - seda saab teha ainult nõrk koostoime. Ja maitsemuutuseta, millega kaasneb s-kvargi muundumine

või d-kvark, lagunemine on võimatu. Tabelis Joonisel 2 on toodud kolme maitsega kvarkide erinevad võimalikud kombinatsioonid ja nende nimetused (tavaliselt lihtsalt kreeka täht). Paljusid ergastatud olekuid ei kuvata. Asjaolu, et kõiki teadaolevaid hadroneid oli võimalik saada kolme põhiosakese erinevatest kombinatsioonidest, sümboliseeris kvarkide teooria peamist võidukäiku. Kuid vaatamata sellele edule õnnestus vaid paar aastat hiljem saada otseseid füüsilisi tõendeid kvarkide olemasolu kohta..

Need tõendid saadi 1969. aastal ajalooliste katsete seerias, mis viidi läbi Stanfordi (California, USA) suures lineaarkiirendis - SLAC. Stanfordi eksperimenteerijad arutlesid lihtsalt. Kui prootonis on tõesti kvarke, siis võib täheldada kokkupõrkeid nende osakestega prootoni sees. Kõik, mida on vaja, on subnukleaarne "mürsk", mida saaks suunata otse prootoni sügavustesse. Sel eesmärgil on mõttetu kasutada teist hadronit, kuna sellel on samad mõõtmed kui prootonil. Ideaalne mürsk oleks lepton, näiteks elektron. Kuna elektron tugevas interaktsioonis ei osale, ei jää ta kvarkide moodustatud keskkonda kinni. Samal ajal võib elektron tajuda kvarkide olemasolu tänu nende olemasolule

elektrilaeng

Stanfordi katses toimis kolmekilomeetrine kiirendi sisuliselt hiiglasliku elektronmikroskoobina, mis tekitas prootoni sisemuse kujutisi. Tavaline elektronmikroskoop suudab eristada detaile, mis on väiksemad kui miljondik sentimeetrit. Prooton on seevastu mitukümmend miljonit korda väiksem ja seda saab "sondeerida" ainult elektronidega, mis on kiirendatud energiani 2,1010 eV. Stanfordi eksperimentide ajal järgisid vähesed füüsikud kvarkide lihtsustatud teooriat.

Enamik teadlasi eeldas, et elektronid kalduvad prootonite elektrilaengute tõttu kõrvale, kuid eeldati, et laeng on prootonis ühtlaselt jaotunud. Kui see tõesti nii oleks, siis toimuks peamiselt nõrk elektronide hajumine, s.t.

Probleem lahenes, kui pöörduti mõnda aega õhus olnud idee poole: peaks olema neljas lõhn, mida keegi varem polnud täheldanud. Uuel lõhnal oli juba ka oma nimi – charm (charm) ehk s. On oletatud, et psi osake on meson, mis koosneb c-kvargist ja c-antikvargist (c), st. cc. Kuna antikvargid on anti-maitse kandjad, neutraliseeritakse psi osakese võlu ja seetõttu pidi eksperimentaalne kinnitus uue maitse (võlu) olemasolu kohta ootama kuni mesonite avastamiseni, milles võlukvarkid olid paaris antikvarkampidega. teistest maitsetest. Nüüd on teada terve rida võlutud osakesi.

Nad kõik on väga rasked, nii et võlukvark osutub raskemaks kui kummaline kvark.

Ülalkirjeldatud olukord kordus 1977. aastal, kui lavale ilmus nn upsilon meson (UPSILON). Seekord võeti ilma suurema kõhkluseta kasutusele viies maitse, mida nimetatakse b-kvarkiks (alt - alt ja sagedamini ilu - ilu või võlu). ja- Upsilon meson on kvark-antikvark paar, mis koosneb b kvarkidest ja seetõttu on sellel varjatud ilu; kuid nagu ka eelmisel juhul, võimaldas kvarkide erinev kombinatsioon lõpuks avastada "ilu".

Kvarkide suhtelist massi saab hinnata vähemalt selle järgi, et mesonitest kergeim, pioon, koosneb paaridest

Alates Demokritose ajast on atomismi põhiidee olnud tõdemus, et piisavalt väikeses mahus peavad eksisteerima tõeliselt elementaarosakesed, mille kombinatsioonid moodustavad meid ümbritseva aine. Atomism on atraktiivne, kuna jagamatuid (definitsiooni järgi) põhiosakesi peab eksisteerima väga piiratud arvul. Looduse mitmekesisus on tingitud mitte selle koostisosade, vaid nende kombinatsioonide suurest arvust. Kui avastati, et erinevaid aatomituumasid on palju, kadus lootus, et see, mida me tänapäeval aatomiteks nimetame, vastas iidsete kreeklaste ettekujutusele aine elementaarosakestest. Ja kuigi traditsiooni kohaselt räägime jätkuvalt erinevatest keemilistest "elementidest", on teada, et aatomid pole üldse elementaarsed, vaid koosnevad prootonitest, neutronitest ja elektronidest. Ja kuna kvarkide arv osutub liiga suureks, on ahvatlev eeldada, et ka need on keerukad süsteemid, mis koosnevad väiksematest osakestest.

Kuigi sel põhjusel valitseb kvarkide skeemiga mõningane rahulolematus, peab enamik füüsikuid kvarke tõeliselt elementaarseteks osakesteks – punkt-sarnasteks, jagamatuteks ja sisemise struktuurita. Selles suhtes meenutavad nad peptoone ja pikka aega on eeldatud, et nende kahe erineva, kuid struktuurilt sarnase perekonna vahel peab olema sügav seos. Selle seisukoha aluseks on leptonite ja kvarkide omaduste võrdlus (tabel 3). Leptoneid saab rühmitada paaridesse, seostades iga laetud leptoni vastava neutriinoga. Kvarke saab rühmitada ka paaridesse. ja- Tabel 3 on koostatud nii, et iga lahtri struktuur kordab otse selle ees asuvat. Näiteks teises rakus on müüon kujutatud "raske elektronina" ning võlu ja kummalised kvargid raskete variantidena. ja d-kvargid. Järgmisest kastist näete, et tau lepton on veelgi raskem "elektron" ja b-kvark on d-kvargi raskem versioon.

Täielikuks analoogiaks vajame veel ühte (tau-leptoonium) neutriinot ja kuuendat kvarkide maitset, mis on juba saanud nimetuse true

Leptonid ja kvargid paarituvad loomulikult. nagu on näidatud tabelis. Meid ümbritsev maailm koosneb neljast esimesest osakesest.

Kuid järgmised rühmad kordavad ilmselt ülemist ja koosnevad neutriinode kroonis äärmiselt ebastabiilsetest osakestest. Kas võib olla neljas, viies jne. aurud, mis sisaldavad veelgi raskemaid osakesi? Kui jah, siis järgmise põlvkonna kiirendid annavad füüsikutele tõenäoliselt võimaluse selliseid osakesi tuvastada. Siiski on välja toodud huvitav kaalutlus, millest järeldub, et peale kolme nimetatud paari pole olemas. See kaalutlus põhineb neutriinotüüpide arvul. Peagi saame teada, et Suure Paugu hetkel, mis tähistas Universumi tekkimist, toimus intensiivne neutriinode teke. Teatav demokraatia tagab igale osakeste tüübile sama energiaosa kui teistele; Seetõttu, mida rohkem on erinevat tüüpi neutriinosid, seda rohkem energiat on maailmaruumi täitvas neutriinomeres. Arvutused näitavad, et kui neutriinosid oleks rohkem kui kolm, siis nende kõigi tekitatud gravitatsioonil oleks tugev häiriv mõju. tuumaprotsessid

, mis leiab aset universumi elu esimestel minutitel. Järelikult järeldub nendest kaudsetest kaalutlustest väga usutav järeldus, et tabelis näidatud kolm paari. 3, kõik looduses eksisteerivad kvargid ja leptonid on ammendatud. Ja Huvitav on märkida, et kogu universumi tavaline aine koosneb ainult kahest kergeimast leptonist (elektron ja elektronneutriino) ja kahest kergeimast kvargist ( Ja d).

Kui kõik teised leptonid ja kvargid äkki lakkaksid eksisteerimast, muutuks meid ümbritsevas maailmas tõenäoliselt väga vähe. Mille eest Võib-olla mängivad raskemad kvargid ja leptonid kergeimate kvarkide ja leptonite omamoodi tagavara rolli. Kõik need on ebastabiilsed ja lagunevad kiiresti ülemises rakus asuvateks osakesteks.

Näiteks tau lepton ja müüon lagunevad elektronideks, samas kui kummalised, võluvad ja kaunid osakesed lagunevad üsna kiiresti kas neutroniteks või prootoniteks (barüonide puhul) või leptoniteks (mesonite puhul). Tekib küsimus:

Teadaolevate osakeste loetelu ei ammenda sugugi kuus paari leptoneid ja kvarke, mis moodustavad aine ehitusmaterjali. Mõned neist, näiteks footon, ei kuulu kvarkide vooluringi. “Üle parda jäetud” osakesed ei ole “universumi ehituskivid”, vaid moodustavad mingi “liimi”, mis ei lase maailmal laguneda, s.t. neid seostatakse nelja fundamentaalse interaktsiooniga.

Mäletan, et lapsepõlves räägiti mulle, et kuu põhjustab ookeanide tõusu ja langust igapäevaste loodete ajal. Minu jaoks on alati olnud mõistatus, kuidas ookean teab, kus Kuu on ja jälgib selle liikumist taevas. Kui ma koolis gravitatsioonist teada sain, mu hämmeldus ainult süvenes.

Kuidas õnnestub Kuu, olles ületanud veerand miljonit kilomeetrit tühja ruumi, ookeani "jõuda"? Standardvastus – Kuu loob selles tühjas ruumis gravitatsioonivälja, mille tegevus jõuab ookeanini, pannes selle liikuma – oli muidugi omajagu mõtet, kuid siiski ei rahuldanud mind täielikult. Lõppude lõpuks ei näe me Kuu gravitatsioonivälja. Võib-olla nad just seda ütlevad? Kas see tõesti seletab midagi?

Mulle on alati tundunud, et kuu peab kuidagi ookeanile ütlema, kus ta on. Kuu ja ookeani vahel peab olema mingisugune signaalivahetus, et vesi teaks, kuhu liikuda. Aja jooksul selgus, et ruumi kaudu signaali kujul edastatava jõu idee pole selle probleemi kaasaegsest lähenemisest nii kaugel. Et mõista, kuidas see idee tekib, peame üksikasjalikumalt kaaluma jõuvälja olemust. Näitena valime mitte ookeani loodete, vaid lihtsama nähtuse: kaks elektroni lähenevad üksteisele ja lendavad seejärel elektrostaatilise tõukejõu mõjul eri suundades lahku. Füüsikud nimetavad seda protsessi hajumise probleemiks. Loomulikult ei suru elektronid üksteist sõna otseses mõttes. Nad interakteeruvad vahemaa tagant, iga elektroni tekitatava elektromagnetvälja kaudu.

Elektron-elektronide hajumise pilti pole raske ette kujutada.

Esialgu on elektronid eraldatud suure vahemaaga ja neil on üksteisele vähe mõju. Iga elektron liigub peaaegu sirgjooneliselt (joonis 11). Seejärel, kui mängu tulevad tõukejõud, hakkavad elektronide trajektoorid painduma, kuni osakesed on võimalikult lähedal; pärast seda trajektoorid lahknevad ja elektronid lendavad lahku, hakates jälle liikuma mööda sirgjoonelisi, kuid juba lahknevaid trajektoore. Sellist mudelit saab hõlpsasti laboris demonstreerida, kasutades elektronide asemel elektriliselt laetud kuule. Ja jälle tekib küsimus: kuidas osake "teab", kus teine osake asub, ja muudab vastavalt oma liikumist. Kuigi elektronide kõverate trajektooride pilt on üsna visuaalne, on see mitmes mõttes täiesti sobimatu. Fakt on see, et elektronid on kvantosakesed ja nende käitumine järgib kvantfüüsika spetsiifilisi seadusi. Esiteks ei liigu elektronid ruumis mööda täpselt määratletud trajektoore. Teekonna algus- ja lõpp-punkti saame ühel või teisel viisil siiski määrata - enne ja pärast hajumist, kuid tee ise liikumise alguse ja lõpu vahelises intervallis jääb teadmata ja ebakindlaks. Lisaks on intuitiivne idee pidevast energia ja impulsi vahetusest elektroni ja välja vahel, justkui kiirendades elektroni, footonite olemasoluga vastuolus. Energiat ja hoogu saab üle kanda valdkonnas ainult portsjonitena ehk kvantidena. Täpsema pildi välja poolt elektroni liikumisse tekitatud häiretest saame eeldades, et väljast footoni neelduv elektron näib kogevat äkilist tõuget. Seetõttu edasi kvanttasand

Elektron-elektronide hajumise toimimist saab kujutada nii, nagu on näidatud joonisel fig. 12. Kahe elektroni trajektoore ühendavale lainelisele joonele vastab footon, mille üks elektron kiirgab ja teine neeldub. Nüüd ilmneb hajumise akt iga elektroni liikumissuuna järsu muutusena Joonis 12.

Selliseid diagramme kasutas esmakordselt võrrandi erinevate terminite visuaalseks esitamiseks Richard Feynman ja esialgu oli neil puhtalt sümboolne tähendus. Kuid siis hakati osakeste vastastikmõju skemaatiliseks kujutamiseks kasutama Feynmani diagramme. Sellised pildid näivad täiendavat füüsiku intuitsiooni, kuid neid tuleks tõlgendada teatud ettevaatusega. Näiteks elektronide trajektooril ei toimu kunagi järsku katkestust. Kuna me teame vaid elektronide alg- ja lõppasendit, siis me ei tea täpselt, millal footon vahetub ja milline osake kiirgab ja milline footoni neelab. Kõik need detailid on peidetud kvantmääramatuse looriga.

Hoolimata sellest hoiatusest on Feynmani diagrammid osutunud tõhusaks vahendiks kvantinteraktsioonide kirjeldamisel. Elektronide vahel vahetatud footonit võib pidada sõnumitoojaks, mille üks elektron ütleb teisele: "Ma olen siin, nii et liikuge!" Loomulikult on kõik kvantprotsessid oma olemuselt tõenäosuslikud, seega toimub selline vahetus vaid teatud tõenäosusega. Võib juhtuda, et elektronid vahetavad kahte või enamat footonit (joonis 13), kuigi see on vähem tõenäoline.

Oluline on mõista, et tegelikkuses me ei näe footoneid ühelt elektronilt teisele vulisemas. Interaktsioonikandjad on kahe elektroni "sisemine aine". Need eksisteerivad üksnes selleks, et anda elektronidele teada, kuidas nad liiguvad, ja kuigi nad kannavad energiat ja hoogu, ei kehti klassikalise füüsika vastavad jäävusseadused. Footoneid võib sel juhul võrrelda palliga, mida tennisistid väljakul vahetavad. Nii nagu tennisepall määrab tennisistide käitumise mänguväljakul, mõjutab footon elektronide käitumist.

Eduka interaktsiooni kirjeldamisega kandjaosakese abil kaasnes footoni mõiste laienemine: footon ei osutu mitte ainult meile nähtavaks valguse osakeseks, vaid ka kummituslikuks osakeseks, mida “näevad” ainult laetud inimesed. osakesed, mis läbivad hajumist. Mõnikord nimetatakse footoneid, mida me vaatleme tõeline, ja interaktsiooni kandvad footonid on virtuaalne,

Elektromagnetilise interaktsiooni kirjeldus, kasutades virtuaalsete footonite – selle kandjate – mõistet, ulatub oma olulisuselt kaugemale kui lihtsalt kvantloomuse illustratsioonid. Tegelikkuses räägime teooriast, mis on läbimõeldud peensusteni ja varustatud täiusliku matemaatilise aparaadiga, mida tuntakse kvantelektrodünaamika, Lühendatult QED. Kui QED esmakordselt formuleeriti (see juhtus vahetult pärast Teist maailmasõda), oli füüsikute käsutuses teooria, mis rahuldas mõlema põhiprintsiipe. kvantteooria ja relatiivsusteooria. See on suurepärane võimalus näha kahe olulise uue füüsika aspekti kombineeritud ilminguid ja. kontrollige neid eksperimentaalselt.

Teoreetiliselt oli QED loomine silmapaistev saavutus.

Varasemad footonite ja elektronide vastasmõju uuringud olid matemaatiliste raskuste tõttu väga piiratud eduga. Kuid niipea, kui teoreetikud õppisid arvutusi õigesti tegema, loksus kõik muu paika. QED pakkus välja protseduuri tulemuste saamiseks ükskõik kui keerukas protsessis, mis hõlmab footoneid ja elektrone.

Joonis 13.

QED teine otsustav test puudutas elektroni enda magnetmomendi üliväikest korrektsiooni. Ja jällegi langesid teoreetiliste arvutuste ja katse tulemused täielikult kokku. Teoreetikud hakkasid oma arvutusi viimistlema ja katsetajad hakkasid oma instrumente täiustama. Kuid kuigi nii teoreetiliste prognooside kui ka katsetulemuste täpsus on pidevalt paranenud, on QED ja katse vaheline kokkulepe jäänud laitmatuks. Tänapäeval ühtivad teoreetilised ja katsetulemused veel saavutatud täpsuse piires, mis tähendab enam kui üheksa kümnendkoha kokkulangevust. Selline silmatorkav kirjavahetus annab õiguse pidada QED-d olemasolevatest loodusteaduste teooriatest kõige arenenumaks.

Ütlematagi selge, et pärast sellist triumfi võeti QED kasutusele kolme ülejäänud põhilise interaktsiooni kvantkirjelduse mudelina. Loomulikult peavad muude interaktsioonidega seotud väljad vastama teistele kandjaosakestele. Gravitatsiooni kirjeldamiseks võeti see kasutusele graviton, mängib sama rolli kui footon. Kahe osakese gravitatsioonilise vastasmõju käigus toimub nende vahel gravitonide vahetus. Seda interaktsiooni saab visualiseerida diagrammide abil, mis on sarnased joonisel fig. 12 ja 13. Just gravitonid kannavad Kuult ookeanidesse signaale, mille järel nad tõusevad tõusulaine ajal ja langevad mõõna ajal. Maa ja Päikese vahel sihivad gravitonid hoiavad meie planeeti orbiidil. Gravitonid aheldavad meid kindlalt Maa külge.

Nagu footonid, liiguvad ka gravitonid valguse kiirusel, seega on gravitonid nullmassiga osakesed. Kuid sellega lõppevad sarnasused gravitonide ja footonite vahel. Kui footoni spinn on 1, siis gravitoni spinn on 2.

Tabel 4

Osakesed, millel on neli põhilist vastasmõju.

Massi väljendatakse prootoni massiühikutes.

See on oluline erinevus, kuna see määrab jõu suuna: elektromagnetilises vastasmõjus tõrjuvad sarnase laenguga osakesed, näiteks elektronid, gravitatsioonilises vastasmõjus aga kõik osakesed tõmbuvad üksteise poole. Gravitonid võivad olla reaalsed või virtuaalsed. Tõeline graviton pole midagi muud kui kvant, nii nagu tõeline footon on elektromagnetlaine kvant. Põhimõtteliselt saab "vaadata" tõelisi gravitoneid. Kuid kuna gravitatsiooniline vastastikmõju on uskumatult nõrk, ei saa gravitoneid otse tuvastada. Gravitonite vastastikmõju teiste kvantosakestega on nii nõrk, et tõenäosus, et graviton hajub või neeldub näiteks prootoni poolt, on lõpmata väike.

Kandjaosakeste vahetuse põhiidee kehtib ka muude interaktsioonide kohta (tabel 4) - nõrk ja tugev. Detailides on aga olulisi erinevusi. Tuletagem meelde, et tugev interaktsioon loob ühenduse kvarkide vahel. Sellise ühenduse saab luua elektromagnetilisele sarnase, kuid keerukama jõuvälja abil. Elektrilised jõud põhjustavad kahe vastasmärgilise laenguga osakese seotud oleku moodustumist. Kvarkide puhul tekivad kolme osakese seotud olekud, mis viitab jõuvälja keerukamale olemusele, millele vastab kolme tüüpi “laeng”. Nimetatakse osakesi - kvarkide vahelise interaktsiooni kandjaid, mis ühendavad neid paaride või kolmikutena

gluoonid.

Nõrga interaktsiooni korral on olukord mõnevõrra erinev. Selle interaktsiooni raadius on äärmiselt väike. Seetõttu peavad nõrga vastasmõju kandjad olema suurte puhkemassidega osakesed. Sellises massis sisalduv energia tuleb “laenata” vastavalt Heisenbergi määramatuse printsiibile, millest on juba juttu olnud lk. 50. Kuid kuna "laenatud" mass (ja seega ka energia) on nii suur, nõuab määramatuse põhimõte, et sellise laenu tagasimakse periood oleks äärmiselt lühike - ainult umbes 10^-28s. Sellistel lühiealistel osakestel pole aega väga kaugele liikuda ja nende poolt kantav vastastikmõju raadius on väga väike.

Osakeste klassifitseerimine kvarkideks, leptoniteks ja interaktsioonide kandjateks täiendab teadaolevate subatomaarsete osakeste loetelu. Igaüks neist osakestest mängib universumi kujunemisel oma, kuid otsustavat rolli.

Kui kandeosakesi poleks, poleks ka vastastikmõjusid ja iga osake jääks oma partnerite kohta teadmatusse.

Keerulisi süsteeme ei saaks tekkida, igasugune tegevus oleks võimatu. Ilma kvarkideta poleks aatomituumi ega päikesevalgust. Ilma leptoniteta ei saaks aatomid eksisteerida, ei tekiks keemilisi struktuure ega elu ennast. Mis on osakeste füüsika eesmärgid? Mõjukas Briti ajaleht The Guardian avaldas kord juhtkirja, mis seadis kahtluse alla osakestefüüsika arendamise tarkuse – kuluka ettevõtmise, mis ei kuluta mitte ainult märkimisväärse osa riigi teaduseelarvest, vaid ka lõviosa.

parimad meeled

. "Kas füüsikud teavad, mida nad teevad?" Mõni kuu pärast ilmumist avanes mul võimalus osaleda Baltimore'is USA presidendi teadusnõuniku George Keyworthi loengus. Keyworth käsitles ka osakeste füüsikat, kuid tema loeng võttis hoopis teise tooni. Ameerika füüsikutele avaldas muljet Euroopa juhtiva osakestefüüsika labori CERNi hiljutine aruanne põhiliste W- ja Z-osakeste avastamise kohta, mis lõpuks saadi suures prootoni-antiprootoni põrkekiirte põrkuris. Ameeriklased on harjunud, et kõik sensatsioonilised avastused tehakse nende suure energiatarbega füüsikalaborites.

Samal nädalal levitasid uudistekanalid teateid Ameerika projektist hiiglasliku kiirendi kohta, mille eesmärk oli viia läbi uue põlvkonna osakeste füüsika eksperimente. Peamine maksumus oli hinnanguliselt 2 miljardit dollarit, mis teeb sellest kiirendist kõige kallima masina, mille inimene on kunagi ehitanud. See Uncle Sami hiiglane, kellega võrreldes isegi uus CERNi LEP-i kiirendi kääbusena tundub, on nii suur, et selle ringi mahuks terve Luksemburgi osariik! Hiiglaslikud ülijuhtivad magnetid on loodud intensiivsete magnetväljade loomiseks, mis keerutavad osakeste kiire, suunates selle mööda rõngakujulist kambrit; see on nii tohutu ehitis, et uus kiirendi peaks asuma kõrbes. Tahaksin teada, mida ajalehe Guardian toimetaja sellest arvab.

Tuntud kui ülijuhtiv superpõrgetaja (SSC), kuid sagedamini viidatud kui "de-zertron" (inglise keelest. kõrb - kõrb. - toim.), see koletu masin suudab kiirendada prootoneid energiani, mis on ligikaudu 20 tuhat korda suuremad kui ülejäänud energia (mass). Neid numbreid saab tõlgendada erinevalt.

Maksimaalse kiirenduse korral liiguvad osakesed kiirusega, mis on vaid 1 km/h väiksem kui valguse kiirus – universumi maksimaalne kiirus. Relativistlikud efektid on nii suured, et iga osakese mass on 20 tuhat korda suurem kui puhkeolekus. Sellise osakesega seotud süsteemis venitatakse aeg nii palju, et 1 s vastab meie võrdlusraamistikus 5,5 tunnile. Kambri iga kilomeeter, millest osakesed läbi liiguvad, "näib" olevat kokku surutud vaid 5,0 cm-ni.

Loomulikult ei ole rahvusliku prioriteedi eest võitlemise vaim võõras ükski suur teadus. Siin, nagu kunstis või spordis, on tore võita auhindu ja ülemaailmset tunnustust. Osakeste füüsikast on saanud omamoodi riigivõimu sümbol. Kui see areneb edukalt ja annab käegakatsutavaid tulemusi, siis see näitab, et nii teadus, tehnoloogia kui ka riigi majandus tervikuna on põhimõtteliselt õigel tasemel. See toetab usaldust teiste üldisemate tehnoloogiaharude toodete kõrge kvaliteedi vastu. Kiirendi ja kogu sellega seotud varustuse loomiseks väga kõrgel tasemel

professionaalsus. Uute tehnoloogiate väljatöötamisest saadud väärtuslikud kogemused võivad avaldada ootamatut ja kasulikku mõju teistele teadusuuringute valdkondadele. Näiteks on USA-s "desertroni" jaoks vajalike ülijuhtivate magnetite uurimis- ja arendustööd tehtud juba paarkümmend aastat. Otsest kasu need aga ei anna ja seetõttu on neid raske väärtustada. Kas on mingeid käegakatsutavamaid tulemusi? Fundamentaaluuringute toetuseks kuuleb mõnikord teist argumenti. Füüsika kipub olema tehnoloogiast umbes viiskümmend aastat ees. Ühe või teise praktiline rakendamine teaduslik avastus Kuigi see ei olnud alguses ilmne, ei ole vähesed fundamentaalfüüsika märkimisväärsed saavutused aja jooksul praktilist rakendust leidnud. Meenutagem Maxwelli elektromagnetismi teooriat: kas selle looja võis ette näha kaasaegse telekommunikatsiooni ja elektroonika loomist ja edu? Ja Rutherfordi sõnad, mida tuumaenergia tõenäoliselt kunagi ei leia praktiline rakendus ? Kas on võimalik ennustada, milleni võib elementaarosakeste füüsika areng kaasa tuua, millised uued jõud ja uued põhimõtted avastatakse, mis avardavad meie arusaama ümbritsevast maailmast ja annavad meile võimu laiema hulga inimeste üle?

Enamik teadusharusid leidis lõpuks sõjalise rakenduse. Selles osas on osakeste füüsika (vastandina tuumafüüsikale) seni puutumatuks jäänud.

Juhtumisi langes Keyworthi loeng kokku president Reagani vastuolulise projektiga seoses raketitõrje, nn kiirrelv (see projekt on osa programmist nimega Strategic Defence Initiative, SDI). Selle projekti põhiolemus on suure energiaga osakeste kiirte kasutamine vaenlase rakettide vastu. See osakeste füüsika rakendus on tõeliselt võigas.

Levinud on arvamus, et selliste seadmete loomine ei ole teostatav. Enamik elementaarosakeste füüsika valdkonnas töötavaid teadlasi peab neid ideid absurdseteks ja ebaloomulikeks ning astub teravalt presidendi ettepaneku vastu. Mõistes teadlased hukka, ärgitas Keyworth neid kiirrelvade projektis "mõtlema, millist rolli nad võiksid mängida". Keyworthi pöördumine füüsikute poole (muidugi puhtjuhuslikult) järgnes tema sõnadele kõrge energiaga füüsika rahastamise kohta. Olen kindel, et suure energiaga füüsikud ei pea põhjendama alusuuringute vajalikkust rakenduste (eriti sõjaliste), ajalooliste analoogide või võimalike tehniliste imede ebamääraste lubadustega. Füüsikud viivad neid uuringuid läbi eelkõige oma väljasurematu soovi saada teada, kuidas meie maailm toimib, soovi loodust üksikasjalikumalt mõista. Osakestefüüsika on teiste teadusharude seas võrratu inimtegevus. Hiiglaslikud installatsioonid aitavad meil tungida mateeria südamesse ja rebida loodusest välja selle sügavaimad saladused. Inimkond võib oodata uute avastuste, senitundmatute tehnoloogiate ootamatuid rakendusi, kuid võib selguda, et suure energiaga füüsika ei anna praktikaks midagi. Kuid isegi majesteetlikust katedraalist või kontserdisaalist on vähe praktilist kasu. Sellega seoses ei saa jätta meenutamata Faraday sõnu, kes kord märkis: "Mis kasu on vastsündinud lapsest?"

Praktikast kaugel olevad inimtegevuse liigid, mis hõlmavad elementaarosakeste füüsikat, on tõendiks inimvaimu avaldumisest, ilma milleta oleksime oma liiga materiaalses ja pragmaatilises maailmas hukule määratud.

Seadmed, kus suure energiaga osakesed põrkuvad – osakeste kiirendid – on oma suuruse ja maksumuse poolest silmatorkavad. Nende läbimõõt ulatub mitme kilomeetrini, mistõttu isegi osakeste kokkupõrkeid uurivad laborid tunduvad sellega võrreldes väikesed. Teistes teadusuuringute valdkondades asuvad seadmed kõrge energiaga füüsikas, laborid on ühendatud kiirendiga. Hiljuti eraldas Genfi lähedal asuv Euroopa Tuumauuringute Keskus (CERN) mitusada miljonit dollarit ringkiirendi ehitamiseks. Selleks rajatava tunneli ümbermõõt ulatub 27 km-ni. Kiirendi nimega LEP (Large Electron-Positron ring) on mõeldud elektronide ja nende antiosakeste (positronite) kiirendamiseks kiiruseni, mis erineb valguse kiirusest vaid juuksekarva ulatuses. Energia skaala aimu saamiseks kujutage ette, et elektronide asemel kiirendatakse sellise kiiruseni pennimünt. Kiirendustsükli lõpus oleks sellel piisavalt energiat 1000 miljoni dollari väärtuses elektri tootmiseks! Pole üllatav, et selliseid katseid klassifitseeritakse tavaliselt "kõrge energiaga" füüsikaks. Rõnga sees üksteise poole liikudes kogevad elektronide ja positronite kiired laupkokkupõrkeid, mille käigus elektronid ja positronid annihileeruvad, vabastades energiat, mis on piisav kümnete teiste osakeste tootmiseks.

Mis need osakesed on? Mõned neist on just need "ehituskivid", millest me oleme ehitatud: prootonid ja neutronid, mis moodustavad aatomituuma, ning elektronid, mis tiirlevad ümber tuuma. Muid osakesi meid ümbritsevas aines tavaliselt ei leidu: nende eluiga on äärmiselt lühike ja pärast selle lõppemist lagunevad nad tavalisteks osakesteks. Selliste ebastabiilsete lühiealiste osakeste sortide arv on hämmastav: neist on juba teada mitusada. Nagu tähed, on ka ebastabiilseid osakesi liiga palju, et neid nime järgi tuvastada. Paljud neist on tähistatud ainult kreeka tähtedega ja mõned on lihtsalt numbrid.

Oluline on meeles pidada, et kõik need arvukad ja mitmekesised ebastabiilsed osakesed ei ole sugugi sõna otseses mõttes komponendid prootonid, neutronid või elektronid. Põrkudes ei haju suure energiaga elektronid ja positronid paljudeks subatomaarseteks fragmentideks. Isegi suure energiaga prootonite, mis ilmselgelt koosnevad teistest objektidest (kvarkidest) kokkupõrgetel, ei jagune need reeglina oma tavapärasteks osadeks. Sellistes kokkupõrgetes toimuvat võib paremini vaadelda kui uute osakeste otsest tekkimist kokkupõrke energiast.

Umbes kakskümmend aastat tagasi olid füüsikud täiesti hämmingus uute subatomaarsete osakeste arvust ja mitmekesisusest, millel näis olevat lõppu. Sellest oli võimatu aru saada Mille eest nii palju osakesi. Võib-olla on elementaarosakesed nagu loomaaia elanikud oma kaudse perekondliku kuuluvusega, kuid ilma selge taksonoomiata. Või ehk, nagu mõned optimistid on uskunud, peituvad elementaarosakesed universumi võti? Millised on osakesed, mida füüsikud jälgivad: kas tähtsusetud ja juhuslikud ainefragmendid või meie silme ette kerkivad ebamääraselt tajutava korra piirjooned, mis viitavad alamtuumamaailma rikkaliku ja keeruka struktuuri olemasolule? Nüüd pole sellise struktuuri olemasolus kahtlust. Mikromaailmas on sügav ja ratsionaalne kord ning me hakkame mõistma kõigi nende osakeste tähendust.

Kuna mass ja kaal on omavahel seotud, nimetatakse suure massiga osakesi sageli "rasketeks". Einsteini suhe E = mc^ 2 näitab, et osakese mass sõltub selle energiast ja seega ka kiirusest. Liikuv osake on raskem kui statsionaarne. Kui nad räägivad osakese massist, siis nad mõtlevad seda tõsiselt puhkemass, kuna see mass ei sõltu liikumisolekust. Nullmassiga osake liigub valguse kiirusel. Kõige ilmsem näide nulli puhkemassiga osakesest on footon. Arvatakse, et elektron on kõige kergem nullist erineva puhkemassiga osake. Prooton ja neutron on ligi 2000 korda raskemad, samas kui laboris loodud raskeim osake (Z-osake) on umbes 200 000 korda suurem elektroni massist.

Osakeste elektrilaeng varieerub üsna kitsas vahemikus, kuid nagu märkisime, on see alati laengu põhiühiku kordne. Mõnedel osakestel, näiteks footonitel ja neutriinodel, puudub elektrilaeng. Kui võtta positiivselt laetud prootoni laeng +1, siis elektroni laeng on -1.

Peatükis 2 tutvustasime veel ühte osakeste omadust – spinni. Samuti võetakse alati väärtused, mis on mõne põhiühiku kordsed, milleks ajaloolistel põhjustel valitakse 1 /2. Prooton ja neutron on ligi 2000 korda raskemad, samas kui laboris loodud raskeim osake (Z-osake) on umbes 200 000 korda suurem elektroni massist. 1/2, ja footoni spin on 1. Tuntud on ka osakesi spinniga 0, 3/2 ja 2. Fundamentaalosakesi, mille spinn on suurem kui 2, ei ole avastatud ja teoreetikud usuvad, et selliste spinnidega osakesi ei eksisteeri.

Osakese spinn on oluline omadus ja olenevalt selle väärtusest jagunevad kõik osakesed kahte klassi. Osakesi spinnidega 0, 1 ja 2 nimetatakse bosoniteks – India füüsiku Chatyendranath Bose järgi ning pooltäisarvulise spinniga osakesi (st spinniga 1/2 või 3/2). - "fermions" Enrico Fermi auks. Kuulumine ühte neist kahest klassist on osakese tunnuste loetelus ilmselt kõige olulisem.

Osakese teine oluline omadus on selle eluiga. Kuni viimase ajani usuti, et elektronid, prootonid, footonid ja neutriinod on absoluutselt stabiilsed, s.t. neil on lõpmatult pikk eluiga. Neutron jääb tuumas "lukus" stabiilseks, kuid vaba neutron laguneb umbes 15 minutiga. Kõik teised teadaolevad osakesed on väga ebastabiilsed, nende eluiga ulatub mõnest mikrosekundist 10-23 sekundini väike, kuid ei tasu unustada, et valguse kiirusele lähedase kiirusega lendav osake (ja enamik kiirenditel sündinud osakesi liigub just sellistel kiirustel) suudab mikrosekundiga lennata 300 m kaugusele.

Ebastabiilsed osakesed lagunevad, mis on kvantprotsess ja seetõttu on lagunemises alati mingi ettearvamatuse element. Konkreetse osakese eluiga ei saa ette ennustada. Statistiliste kaalutluste põhjal saab ennustada ainult keskmist eluiga. Tavaliselt räägitakse osakese poolestusajast – ajast, mille jooksul identsete osakeste populatsioon väheneb poole võrra. Katse näitab, et populatsiooni suuruse vähenemine toimub eksponentsiaalselt (vt joonis 6) ja poolväärtusaeg on 0,693 keskmisest elueast.

Füüsikutele ei piisa teadmisest, et see või teine osake on olemas, nad püüavad mõista, mis on selle roll. Vastus sellele küsimusele sõltub ülaltoodud osakeste omadustest, samuti osakesele väljast ja seest mõjuvate jõudude olemusest. Esiteks määrab osakese omadused tema võime (või suutmatus) osaleda tugevas vastasmõjus. Tugevas interaktsioonis osalevad osakesed moodustavad eriklassi ja neid nimetatakse andronid. Osakesi, mis osalevad nõrgas vastasmõjus ja ei osale tugevas vastasmõjus, nimetatakse leptonid, mis tähendab "kopsud". Heidame põgusa pilgu igale neist peredest.

Erinevate elementide aatomite tuumade poolitamist kasutatakse praegu üsna laialdaselt. Kõik tuumaelektrijaamad töötavad lõhustumisreaktsioonil, kõige tööpõhimõte põhineb sellel reaktsioonil. tuumarelvad. Kontrollitud või ahelreaktsiooni korral ei saa osadeks jagunenud aatom enam tagasi liituda ega naasta algsesse olekusse. Kuid kvantmehaanika põhimõtete ja seaduste abil õnnestus teadlastel aatom kaheks pooleks jagada ja need uuesti ühendada, ilma et see rikkuks aatomi enda terviklikkust.

Bonni ülikooli teadlased kasutasid kvantmääramatuse põhimõtet, mis võimaldab objektidel eksisteerida korraga mitmes olekus. Katses sundisid teadlased teatud füüsikaliste nippide abil ühe aatomi eksisteerima kahes kohas korraga, nende vaheline kaugus oli veidi üle sajandikmillimeetri, mis aatomi skaalal on lihtsalt tohutu vahemaa. .

Sellised kvantefektid võivad ilmneda ainult äärmiselt madalatel temperatuuridel. Tseesiumiaatom jahutati laservalguse abil temperatuurini, mis on kümnendiku miljondik kraadi võrra kõrgem absoluutne null. Jahutatud aatom jäi seejärel optiliselt lõksu teise laseri valguskiirega.

On teada, et aatomi tuum võib olenevalt pöörlemissuunast pöörleda ühes kahest suunast, laservalgus surub tuuma paremale või vasakule. "Kuid aatomil võib teatud kvantseisundis olla "lõhestunud isiksus", üks pool sellest pöörleb ühes suunas, teine vastupidises suunas, kuid samal ajal on aatom ikkagi terve objekt. ” ütleb füüsik Andreas Steffen. Seega aatomi tuum, mille osad pöörlevad sisse vastassuunas, saab laserkiire abil kaheks osaks jagada ja neid aatomi osi saab eraldada märkimisväärse vahemaa tagant, mis teadlastel õnnestus katse käigus saavutada.

Teadlased väidavad, et sarnase meetodi abil on võimalik luua nn kvantsillasid, mis on kvantinformatsiooni juhid. Aine aatom jagatakse pooleks, mida liigutatakse üksteisest eemale, kuni nad puutuvad kokku külgnevate aatomitega. Tekib midagi teepõhja taolist, silla kahte sammast ühendav sildeava, mida mööda saab infot edastada. See on võimalik tänu sellele, et selliselt jagatud aatom jääb kvanttasandil jätkuvalt ühtseks tervikuks tänu sellele, et aatomi osad on kvanttasandil takerdunud.

Bonni ülikooli teadlased kavatsevad sellist tehnoloogiat kasutada keerukate kvantsüsteemide simuleerimiseks ja loomiseks. "Meie jaoks on aatom nagu hästi õlitatud käik," ütleb meeskonna juht dr Andrea Alberti. "Kasutades paljusid neid käike, saate luua kvantarvutusseadme, mille omadused ületavad kaugelt kõige arenenumate arvutite omad. Peate lihtsalt suutma neid käike õigesti paigutada ja ühendada."

1939. aastalAlbert Einsteinpöördus president Roosevelti poole ettepanekuga teha kõik endast oleneva, et omandada aatomi lagunemise energia enne natse. Selleks ajaks oli ta fašistlikust Itaaliast emigreerunudEnrico Fermitöötas selle probleemiga juba Columbia ülikoolis.

(Euroopa osakeste füüsika labori kiirendikambris (CERN), suurim omataoline keskus Euroopas. Paradoksaalselt on väikseimate osakeste uurimiseks vaja hiiglaslikke struktuure.)

Sissejuhatus

1854. aastal sakslane Heinrich Geisler. (1814-79) leiutas elektroodidega klaasvaakumtoru, mida nimetatakse Heusleri toruks, ja elavhõbedapumba, mis võimaldas saavutada kõrgvaakumit. Ühendades toru elektroodidega kõrgepinge induktsioonmähise, sai ta negatiivse elektroodi vastas olevale klaasile rohelise kuma. 1876. aastal saksa füüsik Jevgeni Goldstein(1850-1931) oletas, et selle sära põhjustasid katoodkiired, ja nimetas neid kiiri katoodkiirteks.

(Uus-Meremaa füüsik Ernest Rutherford (1871-1937) Cambridge'i ülikooli Cavendishi laboris, mida ta juhtis 1919. aastal.)

Elektronid

Inglise teadlane William Crooks(1832-1919) täiustas Heusleri toru ja näitas võimalust katoodkiirte kõrvalekaldumiseks magnetvälja abil. 1897. aastal väitis teine inglise teadlane Joseph Thomson, et kiired on negatiivselt laetud osakesed, ja määras nende massi, mis osutus umbes 2000 korda väiksemaks kui vesinikuaatomi mass. Ta nimetas neid osakesi elektronideks, võttes mitu aastat varem ühe Iiri füüsiku pakutud nime George Stoney(1826-1911), kes teoreetiliselt arvutas välja nende laengu suuruse. Nii sai ilmseks aatomi jagatavus. Thomson pakkus välja mudeli, milles elektronid on kogu aatomi vahel nagu rosinad tassikoogis. Ja peagi avastati ka teised aatomis sisalduvad osakesed. 1895. aastal asus ta tööle Cavendishi laborisse Ernest Rutherford(1871-1937), kes alustas koos Thomsoniga uraani radioaktiivsuse uurimist ja avastas kahte tüüpi osakesi, mida selle elemendi aatomid kiirgavad. Ta nimetas elektroni laengu ja massiga osakesi beetaosakesteks ja teisi positiivselt laetud osakesi, mille mass on võrdne 4 vesinikuaatomi massiga, alfaosakesteks. Lisaks olid uraani aatomid kõrgsagedusliku elektromagnetkiirguse – gammakiirguse – allikaks.

(Otto Hahn ja Lise Meitner. 1945. aastal oli Ganinterneeriti liitlaste poolt Inglismaal ja alles seal sai ta teada, et talle anti 1944. aastal Nobeli keemiaauhind "raskete tuumade lõhustumise avastamise eest".

Prootonid

1886. aastal avastas Goldstein teise kiirguse, mis levis katoodkiirtele vastupidises suunas, mida ta nimetas katoodkiirteks. Hiljem tõestati, et need koosnevad aatomiioonidest. Rutherford tegi ettepaneku nimetada positiivset vesinikuiooni protoon (kreeka keelestprooton- esimene), sest ta pidas vesiniku tuuma kõigi teiste elementide aatomituumade lahutamatuks osaks. Seega 20. sajandi alguses. Kinnitati kolme subatomilise osakese olemasolu: elektron, prooton ja alfaosake. IN1907 Hr Rutherfordist sai Manchesteri ülikooli professor. Siin, püüdes välja selgitada aatomi struktuuri, viis ta läbi oma kuulsad alfaosakeste hajumise katsed. Uurides nende osakeste läbimist läbi õhukese metallfooliumi, jõudis ta järeldusele, et aatomi keskmes on väike tihe tuum, mis on võimeline alfaosakesi peegeldama. Rutherfordi assistent oli sel ajal noor Taani füüsik.Niels Bohr(1885-1962), mis sisse1913 Näiteks pakkus vastavalt hiljuti loodud kvantteooriale välja aatomi struktuuri mudeli, mida tuntakse kuiRutherford-Bohri mudel. Selles tiirlesid elektronid ümber tuuma nagu planeedid ümber Päikese.

( Enrico Fermi (1901-54) sai 1938. aastal Nobeli preemia aine neutronkiirguse alal tehtud töö eest. 1942. aastal viis ta esmakordselt läbi aatomituumade lagunemise isemajanduva ahelreaktsiooni.)

Aatomi mudelid

Selles esimeses mudelis koosnes tuum positiivselt laetud prootonitest ja mitmest elektronist, mis nende laengu osaliselt neutraliseerisid; lisaks liikusid ümber tuuma täiendavad elektronid, mille kogulaeng oli võrdne tuuma positiivse laenguga.Alfa osakesed, nagu heeliumi aatomite tuumad, oleks pidanud koosnema4 prootonid ja2 elektronid.See on möödas10 aastat enne selle mudeli muutmist. IN1930 Härra sakslane Walter Bothe(1891-1957) teatas uut tüüpi radioaktiivse kiirguse avastamisest, mis tekib berülliumi kiiritamisel alfaosakestega. inglaneJames Chadwick(1891-1974) kordas neid katseid ja jõudis järeldusele, et see kiirgus koosneb osakestest, mille mass on prootonitega, kuid ilma elektrilaenguta. Neid nimetati neutroniteks. Siis sakslaneWerner Heisenberg(1901-76) pakkus välja mudeli aatomist, mille tuum koosnes ainult prootonitest ja neutronitest.Rühm teadlasi, kellel on üks esimesi subatomaarseid osakeste kiirendeid -tsüklotron(1932). See seade on loodud osakeste kiirendamiseks ja seejärel spetsiaalsete sihtmärkide pommitamiseks nendega.

(Rühm teadlasi, kellel oli üks esimesi subatomaarseid osakeste kiirendajaid – tsüklotron (1932). See seade on loodud osakeste kiirendamiseks ja seejärel spetsiaalsete sihtmärkide pommitamiseks nendega.)

Aatomi poolitamine

Füüsikud üle maailma nägid neutronites kohe ideaalset vahendit aatomite mõjutamiseks – need rasked laenguta osakesed tungisid kergesti aatomituumadesse. IN1934-36 Itaalia Enrico Fermi(1901-54) said nende abi37 erinevate elementide radioaktiivsed isotoobid. Neutroni neelates muutus aatomituum ebastabiilseks ja eraldas energiat gammakiirguse kujul. Fermi kiiritas uraani neutronitega, looteseelmuutke see uueks elemendiks - "uraaniks". Samas suunas töötab Berliinis sakslane Otto Hahn(1879-1 Sja austerlaneLise Meitner(1878 - 1968). IN1938 Natside eest põgenenud proua Meitner läks Stockholmi ja jätkas koos oma töödFriedrich Strassmann(1902-80). Peagi avastasid Hahn ja Meitner katset jätkates ja tulemusi kirjavahetuse teel võrdledes radioaktiivse baariumi moodustumise neutroniga kiiritatud uraanis. Meitner pakkus, et olen uraani aatom (aatomnumber92) rassjaguneb kaheks tuumaks: baariumiks (elemendi aatomarv numbriga43 hiljem nimetatudtehneetsium). Nii avastati aatomituuma lõhestamise võimalus. Samuti leiti, et kui uraani aatomi tuum hävib,2-3 neutronid, millest igaüks on omakorda võimeline algatama uraani aatomite lagunemise, põhjustades ahelreaktsiooni tohutu hulga energia vabanemisega...

Seadmed, kus suure energiaga osakesed põrkuvad – osakeste kiirendid – on oma suuruse ja maksumuse poolest silmatorkavad. Nende läbimõõt ulatub mitme kilomeetrini, mistõttu isegi osakeste kokkupõrkeid uurivad laborid tunduvad sellega võrreldes väikesed. Teistes teadusuuringute valdkondades asuvad seadmed kõrge energiaga füüsikas, laborid on ühendatud kiirendiga. Hiljuti eraldas Genfi lähedal asuv Euroopa Tuumauuringute Keskus (CERN) mitusada miljonit dollarit ringkiirendi ehitamiseks. Selleks rajatava tunneli ümbermõõt ulatub 27 km-ni. Kiirendi nimega LEP (Large Electron-Positron ring) on mõeldud elektronide ja nende antiosakeste (positronite) kiirendamiseks kiiruseni, mis erineb valguse kiirusest vaid juuksekarva ulatuses. Energia skaala aimu saamiseks kujutage ette, et elektronide asemel kiirendatakse sellise kiiruseni pennimünt. Kiirendustsükli lõpus oleks sellel piisavalt energiat 1000 miljoni dollari väärtuses elektri tootmiseks! Pole üllatav, et selliseid katseid klassifitseeritakse tavaliselt "kõrge energiaga" füüsikaks. Rõnga sees üksteise poole liikudes kogevad elektronide ja positronite kiired laupkokkupõrkeid, mille käigus elektronid ja positronid annihileeruvad, vabastades energiat, mis on piisav kümnete teiste osakeste tootmiseks.

Oluline on meeles pidada, et kõik need arvukad ja mitmekesised ebastabiilsed osakesed ei ole sõna otseses mõttes prootonite, neutronite või elektronide komponendid. Põrkudes ei haju suure energiaga elektronid ja positronid paljudeks subatomaarseteks fragmentideks. Isegi suure energiaga prootonite, mis ilmselgelt koosnevad teistest objektidest (kvarkidest) kokkupõrgetel, ei jagune need reeglina oma tavapärasteks osadeks. Sellistes kokkupõrgetes toimuvat võib paremini vaadelda kui uute osakeste otsest tekkimist kokkupõrke energiast.

Umbes kakskümmend aastat tagasi olid füüsikud täiesti hämmingus uute subatomaarsete osakeste arvust ja mitmekesisusest, millel näis olevat lõppu. Oli võimatu aru saada, miks seal nii palju osakesi oli. Võib-olla on elementaarosakesed nagu loomaaia elanikud oma kaudse perekondliku kuuluvusega, kuid ilma selge taksonoomiata. Või ehk, nagu mõned optimistid on uskunud, peituvad elementaarosakesed universumi võti? Millised on osakesed, mida füüsikud jälgivad: kas tähtsusetud ja juhuslikud ainefragmendid või meie silme ette kerkivad ebamääraselt tajutava korra piirjooned, mis viitavad alamtuumamaailma rikkaliku ja keeruka struktuuri olemasolule? Nüüd pole sellise struktuuri olemasolus kahtlust. Mikromaailmas on sügav ja ratsionaalne kord ning me hakkame mõistma kõigi nende osakeste tähendust.