Значение физики элементарных частиц

Студенты часто задают вопросы: “зачем это нам нужно?”, “Оправданы ли затраты на исследования?”. На первый вопрос можно ответить: “Подождите!”. Не было ни одного открытия в физике в прошлом, которое не оказало бы влияния на другие науки. Поэтому не следует сейчас говорить о пользе физики элементарных частиц в практическом смысле. Ведь физика не только прикладная, но и мировоззренческая наука. Прогресс в области физики элементарных частиц как ни в какой другой области, содействует общему прогрессу в познании природы. Ответ на второй вопрос дал акад. Л.Окунь: “В некотором смысле затраты на физику высоких энергий напоминает затраты на детей. Без детей немыслимо будущее человечества, без физики элементарных частиц немыслимо будущее науки”.

Возникает еще один вопрос: может ли появиться окончательная физическая теория, после которой уже не будут нужны новые теории, то есть не будут ли исчерпаны одной теорией все законы природы?

Для создания любой теории необходимы два условия:

- наличие новой информации – экспериментальной (в частности, относящиеся к ядерной и субъядерной материи);

- наличие соответствующего математического аппарата.

По последнему поводу П.Дирак писал:

“Наши математические усилия позволяют пока понять во Вселенной лишь немногое. Но развивая все более совершенные математические методы, мы можем надеяться на лучшее понимание Вселенной”.

Существуют две точки зрения на развитие физической науки. Так, А.Эйнштейн считал, что “наши представления о физической реальности никогда не могут быть окончательными”.

Р.Фейнман придерживается иных взглядов: “… трудно рассчитывать на постоянную смену старого новым, скажем, в течение ближайших 1000 лет. Не может быть, чтобы это движение вперед продолжалось вечно и чтобы мы могли открывать все новые и новые законы. Ведь если это было бы так, то нам быстро надоело бы все это бесконечное наслоение знаний. Мне кажется, что в будущем произойдет одно из двух. Либо мы узнаем все законы, т.е. будем знать достаточно законов для того, чтобы делать все необходимые выводы, а они всегда будут согласовываться с экспериментом, на чем наше движение вперед закончится. Либо окажется, что проводить новые эксперименты все труднее и дороже, так что мы будем знать о 99,9% всех явлений, но всегда будут такие явления, которые только что открыты, которые трудно наблюдать и которые расходятся с существующими теориями, а как только вам удалось объяснить одно из них возникает новое, и весь этот процесс становится все более медленным и все менее интересным. Так выглядит второй вариант конца. Но мне кажется, что так или иначе, но конец должен быть”.

По моему мнению представить себе “конец” физической науки так же трудно как и возможность ее “бесконечного” развития. Не следует при этом забывать, что развитие физики связано с развитием других наук, общества, экологии. А потому уместно закончить формулировкой 4 законов экологии по Б.Коммонеру:

1. Все связано со всем.

2. Все куда-нибудь должно деваться.

3. За все надо платить.

4. Природа знает лучше!

Приведём статью “Физика элементарных частиц” из Британской энциклопедии.

В1998 г. исследователи представили самое убедительное для данного момента времени доказательство того, что у субатомной частицы, названной нейтрино, имеется масса. Стандартная модель, которая является центральной научной теорией об основных составляющих Вселенной, рассматривает три семейства наблюдаемых частиц: барионы (такие, как протоны и нейтроны), лептоны (такие как электроны и нейтрино) и мезоны. Самой загадочной из них была до настоящего времени частица нейтрино. Существование её впервые было постулировано в 1930 гю австрийским физиком Вольфгангом Паули (Wolfang Pauli) для объяснения того факта, что появившаяся энергия не сохраняется при ядерном b- распаде (распаде атомных ядер с испусканием электрона). Нейтрино так слабо взаимодействуют с другой материей, что их чрезвычайно трудно наблюдать; после предсказания Паули подтверждение их существования отсутствовало в течение двадцати пяти лет. В Стандартной модели вводится предположение о том, что нейтрино – это безмасовые частицы, но теоретическое обоснование того, что они не имеют хотя бы крошечной массы, отсутствует.

Были известны три типа нейтрино: электронные нейтрино, испускаемые при b - распаде, - мюонные нейтрино, испускаемые при распаде частицы, известной как пион, и которую впервые наблюдали в 1962 г., и t - нейтрино, производимые при распаде даже еще более экзотической частицы - t (тау). Хотя гипотеза о существовании t - нейтрино поддерживалась косвенным доказательством, только в 1998 г. было впервые сообщено, что эта частица наблюдалась. Физики в Национальной Ферми лаборатории ускорителей (Fermilab), Batavia, Ill., (Батавиа, штат Иллинойс) провели эксперименты, в которых они направляли плотный поток протонов на вольфрамовую мишень. По крайней мере, в одном из 100000 соударений рождалось t - нейтрино, но после получения данных в течение нескольких месяцев команда Ферми-лаборатории объявила о том, что были увидены прямые проявления трёх из этих неуловимых частиц.

Однако это открытие затмили результаты из Super-Kamiokande, полученные при экспериментальной попытке, осуществлённой международным сотрудничеством физиков из 23 институтов под руководством Университета Токийского института для исследования космических лучей. Гигантский детектор Super-Kamiokande, который располагался на 1000 м (3300 футов) ниже поверхности в Японской цинковой шахте, чтобы свести к минимуму воздействие фотонового излучения, представлял собой резервуар с 50 тысячами тонн сверхчистой воды, окружённый 13000 отдельных детекторных элементов. Детектор Super-Kamiokande был в состоянии наблюдать электронные нейтрино и мюонные нейтрино (но не t - нейтрино), которые рождаются в атмосфере Земли при бомбардировке детектора космическими лучами из окружающего пространства. Однако даже этот громадный детектор был в состоянии выявить только один или два таких нейтрино за день, и требовались месяцы работы, чтобы собрать достаточное количество данных.

В 1998 г. физики из Super-Kamiokande сообщили о поразительном результате. Они обнаружили, что скорость выявления электронных нейтрино была одинаковой во всех направлениях, а количество мюонных нейтрино, проходящих через Землю сверху, значительно меньше, чем непосредственно поступает снизу. Теория предсказывает, что, если нейтрино имеют массу, то мюонные нейтрино должны были бы преобразовываться или осциллировать в t-нейтрино с периодом, зависящим от разницы в массе у этих двух типов нейтрино. Те нейтрино, которые проходят большее растояние через Землю к детектору, имели больше времени для распада. Результаты наводят на мысль, что различие в массах составляет одну десятимиллионную часть массы электрона, давая несомненные доказательства существованиямассы у нейтрино и нижнюю границу этого значения.

У результата были два впечатляющих следствия. Во-первых, поскольку ненулевая масса у нейтрино – это явление, не учитывающееся Стандартной моделью, то это может явиться первым намёком на возможную новую “большую единую” теорию в физике элементарных частиц, которая расширит пределы имеющейся современной теории. Во-вторых, нейтрино с массой могут быть решением главной проблемы в космологии. Современные модели Вселенной выдвигают требование, чтобы масса её была значительно больше, чем масса наблюдаемых составляющих. Присутствие в космосе общей массы биллионов нейтрино может восполнить этот дефицит.