Черногорова в а загадки микромира

Обновлено: 19.04.2024

В мире элементарных частиц сейчас сложилось примерно такое же положение, какое было в мире химических элементов перед открытием Д. Менделеевым периодической системы. Положение тревожное и таинственное, потому что непонятно, откуда берутся элементарные частицы, непонятно, почему их так много.

Об этом и о том, что у них общего и чем они отличаются друг от друга рассказывается в книге В. Черногоровой.

Отрывок из произведения:

Чудаки украшают жизнь. Мир бы выглядел весьма бледно, не будь у него чудаков, этих вечно ненасытных, ужасно беспокойных, необыкновенно пытливых и безгранично любопытных людей. Упорно выискивают они мало кому понятные проблемы, бьются над ними, копаются в них. Упорно что-то открывают, изобретают, изготовляют. Хорошо сказал казахский поэт Олжас Сулейменов:

Каждому племени нужен один человек, Ушибленный звездой. Заводите таких.

Вера Черногорова - Загадки микромира краткое содержание

Загадки микромира - читать онлайн бесплатно полную версию (весь текст целиком)

Загадки микромира - читать книгу онлайн бесплатно, автор Вера Черногорова Сделать

Вера Александровна Черногорова

Мир, который нельзя увидеть

…Правит природа вещами посредством тел незримых.

Новый лидер

Каждому племени нужен один человек,
Ушибленный звездой. Заводите таких.

Не стоит далеко заходить, чтобы найти такого человека. Любой истинный ученый — хоть капельку чудак. Жажда знания в нем неистребима. Ничто — ни войны, ни голод, ни разруха, ни личные невзгоды — не в силах заглушить любознательность ученого, эту драгоценнейшую человеческую черту.

В осажденных Сиракузах Архимед решал математические задачи. В тюремных застенках Кибальчич заканчивал проект космического корабля. В голодном Петрограде, в блокадном Ленинграде продолжала жить настойчивая, неугасимая мысль исследователей.

Много проблем ставит перед нами жизнь. Одни из них решаются очень легко. Над другими бьются ученые нескольких поколений.

Казалось бы, тривиальный, почти детский вопрос: «Как устроен мир?» А ведь ответа на этот вопрос люди ищут более двух тысяч лет.

Ребенок берет в руки игрушку, и жгучая мысль пронзает его: а что там, внутри? И сразу появляются разломанные куклы, разбитые волчки, разобранные будильники. Иной ребенок, не обнаружив ничего существенного для себя, отбрасывает вместе с игрушкой и неинтересную для него проблему. У другого вопрос о внутреннем строении игрушки остается на всю жизнь, перерастая в вопрос о внутреннем строении мира. Такой ребенок неизбежно становится потом ученым.

В VI веке до нашей эры этот по-детски наивный и по-философски глубокий вопрос — вопрос о внутреннем устройстве мира — впервые задал взрослый человек.

Из какой материи состоит мир? — спросил себя древнегреческий мыслитель, один из основоположников науки, Фалес Милетский. Ему, как и другим ученым ионийской школы, казалось, что неизбежно должны существовать некие материальные частицы, какие-то вполне осязаемые элементы, из которых складывается, строится все остальное.

Спустя столетие последователь Фалеса Демокрит впервые нащупал ответ на этот каверзный вопрос. Демокрит полагал, что мир строится из двух элементов: из невидимых глазом мельчайших, нерассекаемых частиц-атомов и из пустоты. Для Демокрита природа — это «беспорядочное движение атомов во всех направлениях».

В красивой, поэтической форме изложил атомистическую гипотезу Демокрита древнеримский философ-материалист Тит Лукреций Кар. Именно со слов этого первого популяризатора науки мир познакомился с одной из величайших гипотез — с гипотезой об атомах.

Почти две тысячи лет наука довольствовалась умозрительной гипотезой Демокрита — Лукреция. И лишь в XIX веке английский химик и физик Джон Дальтон занялся экспериментальной проверкой атомистических воззрений древних.

Опыт следовал за опытом. Кропотливо и скрупулезно, как это умеет делать только химик, взвешивал Дальтон количество веществ, вступающих в реакцию, сравнивал результаты с количеством веществ, получаемых после реакции.

Длительные химические эксперименты Дальтон закончил важным выводом: каждое химическое вещество соединяется с другим только в определенной пропорции. Как в калейдоскопе из одних и тех же кусочков стекла получается огромное число причудливых композиций, так из мельчайших «кусочков» разных веществ складываются молекулы.

Аппетит приходит во время еды. Дальтон разжег аппетит химиков к дроблению вещества. Они в буквальном смысле начали «пытать» материю: нагревали, перегоняли, испаряли и расплавляли сотни химических соединений. Соединения распадались на отдельные «обломки», на отдельные «кусочки» разных сортов. Но «кусочки» эти держались стойко и ни на что уже больше не распадались.

Ну как тут было не принять эти «осколки» химических элементов за элементарнейшие частицы материи, мельче которых уже ничего нет и не может быть? Как тут не отождествить их с гипотетическими атомами Демокрита?

На этом, атомном, уровне строения материи высшим достижением науки, стремящейся узнать, как устроен мир, было создание периодической системы химических элементов Д. Менделеевым. Он создал ее, опираясь только на значение атомных весов известных в то время элементов и на свою, как сказал впоследствии Н. Бор, «потрясающую интуицию».

Таблица Д. Менделеева обогатила нас знаниями относительно всего того многообразия форм живой и неживой природы, которое царит на нашей планете. Она сыграла исключительно важную роль в химии и в физике, стимулировала поиски новых химических элементов, для которых в ней были оставлены пустые места.

Сегодня она служит планированию синтеза новых сверхтяжелых элементов, предсказанию свойств еще не созданных синтетических химических соединений. На ее основе строится вся химическая промышленность и металлургия.

Но сам Д. Менделеев испытывал чувство неудовлетворенности оттого, что не знал, какие законы природы лежат в основе угаданной им периодичности в химических и физических свойствах элементов. Фундаментальные законы природы, законы квантовой механики, отражением которых и была периодическая система элементов, удалось открыть лишь после того, как ученые стали исследовать строение материи на следующем — ядерном уровне.

«Прозрение внутренних причин явлений по их внешним проявлениям, может быть, и есть самое важное, самое дорогое и увлекательное во всей науке», — отмечает академик Я. Зельдович.

Сейчас наука о строении вещества обладает такими возможностями, которые позволяют ей проникнуть в глубь материи до 10–15 сантиметра. Физики изучают свойства еще более «элементарных» кирпичиков вещества, чем атомы. Для чего это нужно?

Когда они сумеют найти законы, объясняющие детали их поведения, все их качества, предсказывающие, сколько их должно быть, то мы получим «таблицу Менделеева» для элементарных частиц. Она даст нам ключи к пониманию гораздо более широкого круга явлений: от микромира до космологии включительно.

«Однако, — как говорит В. Гейзенберг, — единая теория микро- и макромира все еще остается на сегодняшний день в значительной степени „музыкой грядущего“».

Вера Черногорова - Загадки микромира краткое содержание

Следующая загадка

Загадки микромира - читать онлайн бесплатно полную версию (весь текст целиком)

Загадки микромира - читать книгу онлайн бесплатно, автор Вера Черногорова Сделать

В конце XVI века была впервые поставлена задача построения единой картины мира. Иоган Кеплер пытался объединить в понятии «вселенная» две, как казалось в то время, не пересекающиеся области земного и небесного.

И вот взволнованная реакция лирика, современника И. Кеплера, английского поэта Джона Донна:

Из параллелей и меридианов
Сеть человек соткал и эту сеть набросил
На небеса, и ныне — они в его владенье.

Так он писал в 1611 году в поэме «Анатомия мира».

Много воды утекло с тех пор. Много перемен произошло в мире. Армия ученых-естествоиспытателей давно разделилась на отдельные подразделения. Одни все глубже уходили в исследование структуры материи, другие стремились проникнуть в тайны космоса. Казалось, что они идут в противоположные стороны и что связь между структурой пространства, которое изучено уже на расстояниях в 10–15 сантиметра, и процессами, происходящими в пределах видимой вселенной, удаленной на 1028 сантиметров, становится менее заметной.

На самом же деле идея материального единства мира сейчас отчетливее, чем когда бы то ни было в прошлом, объединяет наше понимание сверхбольшого и сверхмалого. Все представления о большом космосе опираются на те же принципы, которым подчиняются законы микромира.

«Как ни замечательны последние астрономические открытия, они еще не вывели нас за пределы известных физических представлений и законов», — пишет академик В. Гинзбург.

Чего же ждут физики-элементарщики от астрофизиков и астрономов?

Сегодня сумма всех знаний, накопленных о микромире, не может осветить той темноты неведомого, что скрывает от нас первые мгновения существования вселенной. Известные нам законы природы уже не работают при плотности, большей 1093 г/см3. Но, может быть, именно в этих «начальных условиях», царивших во вселенной, и прячутся тайны новых, еще неизвестных взаимодействий, действующих в мире элементарных частиц?

«В таком случае, — говорил Ф. Дайсон, — мы не можем ожидать никакого окончательного прояснения в физике элементарных частиц, пока путем наблюдений не будет найден ответ на большие и еще совершенно открытые вопросы космологии».

Слабые взаимодействия элементарных частиц свергли принципы зарядовой и пространственной симметрии. А не связано ли это нарушение с асимметрией макромира? Или, может быть, с отсутствием антивещества во вселенной? И опять ответ скрывается, по-видимому, в «начальных условиях» жизни вселенной. Отсюда же начинала свой непрерывный полет и «стрела времени», которую сейчас пытаются обнаружить в микромире.

А проблемы гравитации? Физика элементарных частиц вплотную подошла к необходимости учитывать роль гравитационного взаимодействия при создании теории элементарных частиц. В последние годы академик М. Марков разрабатывает модель элементарных частиц, структура которых определяется гравитационным взаимодействием огромных объектов космических масштабов. В память советского физика-теоретика А. Фридмана, открывшего новые следствия для космологии в теории относительности, М. Марков назвал сконструированную им модель элементарной частицы фридмоном. Теория фридмонов Маркова — первая попытка создания протяженной модели элементарной частицы не на основе квантовой механики, а в рамках космологического подхода.

«Теория фридмонов, — пишет академик М. Марков, — позволяет рассматривать вселенные как элементарные частицы и элементарные частицы как вселенные, которые при внешней тождественности могут иметь и разнообразнейшие внутренние структуры».

Кажется, что эти строчки взяты из научно-фантастического произведения, а не из статьи всемирно известного ученого.

«Сама возможность такого объединения противоположных свойств, — пишет далее М. Марков, — свойств ультрабольшого и ультрамалого объема, представляется не менее удивительной, чем объединение в одном объекте свойств корпускулы и волны».

Теория М. Маркова дает очень интересную возможность для развития нашего мировоззрения о строении материи.

Что нас ждет в этом плане, например, в квантовой единой теории поля, которую сейчас развивает В. Гейзенберг? Последняя сущность всей материи — «праматерия», представляется им в виде некоторого единого поля. «В результате завершения моей теории, — пишет В. Гейзенберг, — физика будет вести исследования уже не вглубь, а вширь».

А что дает другой подход к строению материи, связанный с развитием традиционного понятия «состоит из…»?

Появление идеи о том, что пи-мезоны могут состоять из нуклонов и антинуклонов, а нуклоны из кварков, то есть идея о том, что элементарные частицы могут состоять из других, гораздо более тяжелых, по словам академика М. Маркова, «можно расценивать как самое яркое и заметное событие за всю тысячелетнюю историю существования понятий о веществе».

Но можно ли отождествлять кварковую форму материи с первоматерией? Или нужно считать, что кварки, в свою очередь, состоят из более тяжелых частиц? Но тогда «самая элементарная» частица будет иметь бесконечную массу?

«Современная физика, — пишет М. Марков, — дает возможность совершенно по-новому трактовать содержание понятия „состоит из…“. Вселенная в целом может оказаться микроскопической частицей. Микроскопическая частица может содержать в себе целую вселенную. Элементарная частица может состоять из огромного числа частиц, вообще говоря, всех родов частиц. В такой концепции нет первоматерии, и иерархия бесконечно разнообразных форм материи как бы замыкается на себя».

Гипотеза М. Маркова — яркое подтверждение мысли выдающегося советского ученого С. Вавилова, который предполагал, что если свойства элементарной частицы многое объясняют в поведении мира в целом, то, с другой стороны, по общим правилам диалектики мы вправе ожидать, что свойства самих элементарных частиц определяются свойствами мира в целом.

Может быть, «в самых глубинах микромира работают те же силы, которые обеспечивают строение вселенной? — пишет профессор Я. Смородинский. — Эволюция вселенной, в частности, связана с ядерными реакциями, а ее кривизна, быть может, обусловлена потоками нейтрино. Трудно понять взаимосвязи в мире элементарных частиц. Но все больше укрепляется уверенность, что в этом мире нет лишних частиц, что в конце концов величина заряда электрона как-то связана с постоянной закона тяготения, определяющего движения миров, а странное поведение каонов какими-то неведомыми пока нитями связано с рождением галактик.

Так начало книги природы переплетается с ее концом. И ничто не оказывается в ней лишним».

Следующая загадка

Загадки микромира скачать fb2, epub бесплатно

Загадки микромира - читать онлайн бесплатно полную версию (весь текст целиком)

Загадки микромира - читать книгу онлайн бесплатно, автор Вера Черногорова Сделать

С помощью ускоренных до такой степени электронов уже можно было попытаться «заглянуть» в глубь нуклонов. И профессор Панофский поставил специальный эксперимент, надеясь, что ему удастся обнаружить составные части протона. Если они, конечно, существуют. Идея этого опыта была подсказана моделью кварков.

Предоставив теоретикам право оттачивать свое теоретическое оружие в словесных поединках на международных конференциях и совещаниях, экспериментаторы решили наконец взять «быка за рога». Если кварки нельзя пока ни создать, ни обнаружить в макрообъектах, то нельзя ли попытаться узнать, если ли они в нуклонах. Но как это лучше сделать?

В старых опытах Р. Хофштадтера по определению размеров нуклонов длина волны электронных разведчиков была так велика, что невозможно было различить детали, и воспринимались лишь общие контуры нуклонов. Ну так же, как дальнозоркие люди воспринимают детали предмета, расположенного вблизи глаз. Поэтому для решения новой задачи годились только электроны очень большой энергии с малой длиной волны. Теперь необходимо было выяснить, как рассеиваются электроны, отдав протону значительную часть энергии. Задача не из простых. Нужно не только зарегистрировать электрон, летящий под определенным углом, но и измерить его энергию.

И вот когда все технические трудности остались позади, в руках ученых оказались длинные вереницы цифр, удручающе действующие на неспециалиста. А это был прекрасный итог сложного эксперимента. Но было бы ошибкой думать, что физику достаточно бросить на эти цифры беглый взгляд, чтобы воскликнуть: «Эврика!» Всем не терпелось узнать: что нашли в нуклонах быстрые электроны? Как они отдали свою энергию: целиком одному протону или каким-то его частям?

А пока надо было как можно точнее учесть все возможные ошибки, какие могли внести сами условия эксперимента, и провести заключительный этап — математическую обработку результатов. Вот тут-то и заговорили цифры, да еще как!

«Протон похож на шарик не из желе, а из малинового джема с семечками», — так передал свое впечатление один из теоретиков, интерпретировавших результаты Панофского. Рассеяние электронов происходило так, будто протон состоял из точечных частиц.

Известный американский физик-теоретик Фейнман окрестил их именем «партоны». Это слово образовано от английского «part», что означает «составная часть». Такое простое понятие содержит в себе не менее глубокую бездну неизведанного, чем загадочный «кварк».

В 1969 году на Международной Рочестерской конференции в Киеве физики впервые услышали о партонах. Многие из них сразу задумались: можно ли отождествить партоны с кварками?

К сожалению, четкого ответа на этот вопрос не существует. Природа партонов не ясна. Одни предполагают, что партоны — пи- или ка-мезоны. Другие считают, что партоны подобны кваркам. Действительно, если им приписать дробный электрический заряд, то теоретические расчеты хорошо согласуются с экспериментом.

И все-таки нельзя считать доказанным существование кварков. Рассеяние быстрых электронов на нуклонах дает нам, как говорит Фейнман, лишь «моментальный снимок» составных точечных частиц в нуклоне. А по нему невозможно судить о том, как они должны выглядеть в свободном состоянии и какими свойствами должны обладать.

Хорошо знакомый нам нейтрон имеет разные свойства в зависимости от того, где он находится: в свободном состоянии или же, например, в любом атомном ядре. Ядро это стабильно, а извлеченный из него нейтрон нестабилен. Не проходит четверти часа, как он распадается на протон, электрон и нейтрино.

Кварк с дробным зарядом и большой массой тоже должен подвергнуться метаморфозе, если когда-нибудь очутится в свободном состоянии. Разве сморщенный комочек резины похож на красивый надутый шарик?

Какими окажутся партоны, если их удастся рассмотреть подробно, — неизвестно. И здесь открывается безбрежный простор для теоретического воображения!

Он шел средь мрака неохватного

Вслед за звездой падучей,

Сквозь неопределенность квантовой

Когда же следующий занавес

Внезапно был распахнут,

Он взял иной предел и заново

Смешал фигурки шахмат.

Загадка «тета-тау»

Если бы цель и задача физики микромира заключалась только в «выписывании паспортов» для все новых и новых частиц, то больше не о чем было бы и рассказывать.

«Человек осваивает Землю, и этот процесс непосредственно связан с расширением его знаний о законах природы», — писал физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии Е. Вигнер. Следовательно, цель науки не только открытие и описание явлений и процессов, протекающих в природе. Главное — поиски закономерных связей между ними.

Несколько столетий назад были открыты и изучены три основных закона механики — закон сохранения энергии, закон сохранения импульса и закон сохранения момента количества движения. На эти три закона сохранения опирается вся классическая физика.

Открыв атомное ядро и элементарные частицы, ученые проникли в новую область природы. Здесь впервые обнаружилась ограниченность некоторых законов макромира. В микромире действовали свои, квантовые законы. Атомы и элементарные частицы тоже подчинялись трем великим законам сохранения, но описывались уже не механикой Ньютона, а механикой квантовой.

До начала XX века физики не подозревали, что существует прямая связь между тремя законами сохранения и такими простыми свойствами пространства и времени, как их однородность и одинаковость физических свойств по всем направлениям, называемая изотропностью.

Закон Ома для электрических цепей прекрасно выполняется как в московской школе, так и за тысячи километров от нее — в школах Индии. А почему этот, и любой другой, закон природы «работает» сегодня так же хорошо, как вчера, а завтра наверняка будет таким же, как и сегодня? Да все потому, что пространство и время, в которых мы живем, однородны. Их свойства везде и всегда одинаковы.

Мы никогда не обращаем внимания на это обстоятельство. Оно вроде бы нас и не касается. А судьбы законов природы — быть им или не быть? — прямо зависят от свойства однородности, симметрии, присущего пространству и времени.

Вера Черногорова - Загадки микромира краткое содержание

Читайте также: