Физика высоких энергий

Возможность возникновения материальных частиц из чистой энергии является прекрасным подтверждением правильности теории относительности. До использования теории относительности при рассмотрении частиц ученые, по сути, решали для себя один вопрос: возможно ли бесконечно делить материю на все более мелкие единицы, или все же существуют мельчайшие неделимые частицы?

Способности человека поражают. Изощренный человеческий ум позволил ученым разделить даже субатомные частицы, столкнув их друг с другом с огромной энергией. Высокоэнергетические столкновения субатомных частиц – основной метод, который используют физики для изучения их свойств, и по этой причине физика частиц носит также название физики высоких энергий. Кинетическая энергия обеспечивается в огромных (достигающих в окружности нескольких миль) ускорителях частиц, в которых частицы разгоняются до скорости, близкой к скорости света, а затем они сталкиваются с другими частицами.

Процесс подготовки. Например, целью эксперимента являются наблюдение и измерение интересующей физиков частицы. Необходимо предварительно подготовить исследуемую частицу: либо изолировать ее, либо создать специально в процессе подготовки эксперимента. Затем разогнать ее в ускорителе частиц до скорости, близкой к скорости света. Когда необходимое количество энергии приобретено, частица покидает ускоритель и перемещается в район мишени, где сталкивается с другими частицами. Рассмотренный этап эксперимента называется подготовкой. Свойства частицы нельзя определить независимо от самого процесса подготовки. Если в подготовку вносятся изменения, свойства частицы тоже изменяются.

Столкновения происходят в пузырьковой камере, которая представляет собой прибор для регистрации следов (треков) заряженных частиц высоких энергий. Большинство частиц, возникающих при столкновениях, очень недолговечны и существуют гораздо меньше одной миллионной доли секунды, после чего они снова распадаются на протоны, нейтроны и электроны. Но, несмотря на крайне непродолжительный срок существования, ученые сумели не только обнаружить эти частицы и измерить их характеристики, но и сфотографировать их следы.

Пузырьковая камера изобретена в 1952 году американским ученым Д. Глейзером, ставшим в 1954 году лауреатом Нобелевской премии по физике. Ее действие основано на вскипании перегретой жидкости вблизи траектории частицы. Прохождение заряженной частицы через перегретую жидкость приводит к образованию вдоль следа частицы «зародышевых» центров кипения. За время порядка 0,5–3 мс образующиеся на зародышах пузырьки достигают размеров 50—300 мкм и могут быть сфотографированы при освещении их импульсным источником света (4). Сами частицы на несколько порядков меньше пузырьков, составляющих следы частиц, но по толщине и искривленности трека физики могут определить, какая частица его оставила. В точках, из которых исходит несколько треков, происходят столкновения частиц; искривления возникают из-за использования исследователями магнитных полей.

В последнее время с целью увеличения энергии столкновения широко применяют встречные пучки, формируемые ускорителями и так называемыми накопительными кольцами: протон-протонные, протон-антипротонные, электрон-электронные, электрон-позитронные. Эти пучки пересекаются, и частицы разных пучков вступают во взаимодействие. В результате они рассеиваются: изменяется состояние их движения, или рождаются новые частицы. С помощью детекторов рассеянные частицы регистрируются и измеряются их характеристики (12).

Столкновения частиц – основной экспериментальный метод для изучения их свойств и взаимодействий, и красивые линии, спирали и дуги в пузырьковых камерах имеют первостепенное значение для современной физики. Подвергая математическому анализу следы частиц, ученые могут говорить о свойствах этих частиц; при этом часто используют компьютеры, ибо анализ очень сложен. Все эти процессы составляют акт измерения.

О спине. Значительная часть необъясненных пока физических эффектов, полученных в ускорителях, связана с поведением частиц, обладающих спином. Спин (от англ. spin – вертеться, вращаться) – собственно момент количества движения элементарной частицы, имеющей квантовую природу, не связанный с перемещением частицы как целого.

Разгоняя в ускорителе поток частиц со спинами, одинаково ориентированными относительно спинов частиц мишени, ученые зафиксировали необычное их поведение. Частицы налетающего потока вели себя так, как будто между ними и частицами мишени не существовала сила электрического отталкивания, которая, казалось бы, должна была возникнуть из-за их одинакового электрического заряда. И наоборот, если ориентация спинов в налетающем потоке и в мишени была разная, результаты оказывались другими.

Многочисленные эксперименты, в которых важную роль играют спины частиц, выявили такие эффекты, которые невозможно объяснить с точки зрения обычных теоретических постановок.

Концепция спина была введена в физику в 1925 году американскими учеными Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом, предположившими на основе анализа спектроскопических данных, что электрон можно рассматривать как «вращающийся волчок» с собственным механическим моментом и собственным (спиновым) магнитным моментом (2). Кроме массы и заряда элементарная частица приобрела еще одну важнейшую характеристику – спин. Спин измеряется в единицах постоянной Планка и характеризуется спиновым квантовым числом, которое для определенных групп элементарных частиц принимает целочисленные или полуцелые значения. Например, спин электрона, протона, мюона, нейтрино и гипотетических кварков равен 1/2; спин пи– и К‑мезонов равен 0; спин фотона равен 1.

В науке появились серьезные основания предполагать существование специфических взаимодействий и соответствующих им полевых форм, порожденных классическим спином и угловым моментом вращения. Причем экспериментальные данные показывают, что эти взаимодействия принципиально отличаются от известных фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое, гравитационное и электромагнитное.

Интересные результаты, связанные с дальнодействием сил, порожденных телами, обладающими собственным моментом вращения, получены, например, в теоретической астрофизике: сформулированы гипотезы о возможных эффектах, связанных с моментами вращения таких объектов, как звезды, галактики и черные дыры. В частности, советский астрофизик Н. А. Козырев, исследуя поле, характеризующее поток времени, источником которого являются звезды – объекты с большим моментом вращения, по существу, исследовал спиновые поля. Его работы позволили предположить, что воздействие от объектов, обладающих моментом вращения, распространяется со скоростью неизмеримо большей, чем скорость света. Анализ выполнялся на базе таких параметров, как масса, заряд и момент вращения.

Человек как часть измерительной системы. Если прибор искажает то, что измеряет, то квантовая теория справедливо выдвигает требование к эксперименту: наблюдаемая система должна быть свободна от внешних воздействий, вызванных процессом наблюдения, на протяжении определенного периода времени между подготовкой и последующим измерением. Это возможно только в том случае, если подготавливающие и измеряющие приспособления находятся на большом физическом удалении друг от друга. Насколько большим должно быть пространство между приборами и объектом? В принципе, оно должно быть бесконечно большим. Только в этом случае исследуемая частица будет представлять собой самостоятельную физическую единицу.

На практике это невозможно, да и не нужно. Здесь нам следует не забывать об основном принципе современной науки – принципе относительности всех понятий и теорий. В данном случае это означает, что понятие самостоятельной физической единицы не обязательно должно быть четко определено: достаточно приблизительного определения. Это делается следующим образом. Наблюдаемый объект (частицу) представляют не самостоятельной единицей, а воплощением взаимодействия между процессами подготовки и измерения, некой промежуточной системой между ними. В этом случае вся макроскопическая система образует единое целое и понятие изолированного объекта утрачивает смысл.

Благодаря этому измерительные приборы и сами ученые представляют собой единую комплексную систему, которая не делится на самостоятельные, четко определенные части. Причем человек-наблюдатель необходим не только для того, чтобы наблюдать свойства объекта, но и для того, чтобы дать определение самим этим свойствам. Дело в том, что в атомной физике мы не можем говорить о свойствах объекта как таковых. Они имеют значение только в контексте взаимодействия объекта с наблюдателем. Наблюдатель решает, каким образом он будет осуществлять измерения, и в зависимости от своего решения получает характеристику свойства наблюдаемого объекта. Если эксперимент проводится по-другому, то свойства наблюдаемого объекта тоже изменяются.

Итак, на уровне атома «объекты» могут быть поняты только в терминах взаимодействия между процессами подготовки и наблюдения. Конечным звеном цепочки всегда будет человеческое сознание. Измерения – это такие взаимодействия, которые порождают определенные «ощущения» в нашем сознании, например зрительное ощущение вспышки света или темного пятнышка на фотографической пластинке, а законы атомной физики говорят нам, с какой вероятностью атомный объект будет порождать определенное ощущение, если мы позволим ему взаимодействовать с нами. «Естественные науки, – говорит Гейзенберг, – не просто описывают и объясняют явления природы; это часть нашего взаимодействия с природой».

Следовательно, в атомной физике ученый не может играть роль стороннего наблюдателя, он обречен быть частью наблюдаемого им мира до такой степени, что он сам воздействует на свойства наблюдаемых объектов. Ученик Эйнштейна, известный теоретик Джон Уиллер, считая активное участие наблюдателя самой важной особенностью квантовой теории, предложил заменить слово «наблюдатель» словом «участник». По словам самого Уиллера:

Самое важное в квантовом принципе – это то, что он разрушает представление о мире, «бытующем вовне», когда наблюдатель отделен от своего объекта плоским стеклянным экраном толщиной в двадцать сантиметров. Даже для того, чтобы наблюдать такой крошечный объект, как электрон, приходится разбить стекло. Наблюдатель должен забраться под стекло сам, разместить там свои измерительные приборы. Он должен сам решить, что измерять – импульс или местонахождение. Если ввести туда оборудование, способное измерить одну из этих величин, это исключит возможность размещения аппаратуры, способной измерить другую. Более того, в процессе измерения изменяется состояние самого электрона. После этого Вселенная никогда не станет такой, какой она была раньше. Для того чтобы описать то, что происходит, нужно зачеркнуть слово «наблюдатель» и написать «участник». В каком-то непредвиденном смысле наша Вселенная – это участвующая Вселенная (13).

Лауреат Нобелевской премии по физике Брайан Джозефсон как-то заметил, что в упорных поисках странных новых частиц физики, возможно, создают свою собственную реальность. Например, конкретная частица, названная аномалоном, обладает свойствами, меняющимися от лаборатории к лаборатории. Предполагают, что свойства этой частицы зависят от того, кто находит и создает ее (17).

А физик Э. Уолкер в своей книге «Физика сознания. Квантовый разум и значение жизни» пишет: «Мы открыли, что наблюдатель – доступный инструмент реальности, и мы соприкоснулись со своей собственной природой… Мы обнаружили постоянно действующее там сознание, смотрящее на нас как на актеров на сцене реальности и играющее роль писателя, пишущего пьесу, в которой мы играем» (18).

Делимы ли субатомные частицы? Но вот ученые, разогнав поток элементарных частиц, направили их в пузырьковую камеру. Эксперимент проведен. И что же? При столкновении двух частиц с высокой энергией они разбиваются на части, но эти части представляют собой частицы такого же типа и таких же размеров. Оказывается, эти частицы тут же возникают из кинетической энергии, задействованной в процессе столкновения. И сколько бы мы ни делили частицы, нам не удастся получить кусочек протона или нейтрона, то есть более мелких частей, так как частицы просто возникают из используемой нами энергии. Получается, что субатомные частицы одновременно делимы и неделимы!

Создание и уничтожение материальных частиц – одно из самых впечатляющих явлений эквивалентности энергии и массы. В процессе столкновений, использующихся в физике высоких энергий, масса уже не сохраняется. Сталкивающиеся частицы могут быть уничтожены, а энергия, заключенная в их массах, может преобразоваться частично в кинетическую энергию других участников столкновения, а частично – в массы новых частиц. Например, два протона могут после столкновения разлететься на множество «осколков», но среди них никогда не будет «кусочков протона». Эти «осколки» всегда будут представлять собой целые элементарные частицы, образующиеся из кинетических энергий и масс сталкивающихся протонов (4). Поэтому распад на «составляющие» носит не очень очевидный характер и зависит от количества энергии, принимающей участие в процессе.

С точки зрения классической механики это парадокс. Но при релятивистском подходе частицы воспринимаются как динамические паттерны или процессы, в которых задействовано некоторое количество энергии, заключенной в их массе. В процессе столкновения энергия двух частиц перераспределяется и образует новый паттерн, а если кинетическая энергия столкновения достаточно велика, то новый паттерн может включать дополнительные частицы, которых не было в исходных частицах.

Поскольку квантовая теория описывает наблюдаемые системы в терминах вероятности, мы никогда не можем с точностью утверждать, где будет находиться в наблюдаемый момент субатомная частица, как будет происходить тот или иной атомный процесс. Не можем сказать, когда неустойчивые частицы распадутся и каким «способом». Не можем предугадать, какие именно частицы образуются в результате распада исходной частицы. В области физики высоких энергий фиксируются и подвергаются анализу десятки тысяч столкновений частиц, прежде чем удается определить вероятность какого-либо процесса. И только с некоторой вероятностью ученые могут предсказать распад частицы через определенное время, указав среднюю продолжительность существования большей части частиц такой разновидности, и могут приближенно определить, что из некоторого большого количества частиц, скажем, процентов шестьдесят распадутся одним способом, еще тридцать – другим и, наконец, еще десять процентов – третьим.

Частицы – силы. Теория относительности радикальным образом изменила наши представления не только о частицах, но и о силах взаимного притяжения и отталкивания частиц. Оказывается, при релятивистском подходе частицы взаимодействуют при помощи сил, способных преобразовываться в такие же частицы. Иными словами, релятивистский подход объединяет два понятия – силы и вещества (1). И если со времен греческих атомистов эти понятия считались абсолютно самостоятельными, то сегодня ядерная физика считает, что все силы одновременно являются частицами. То, что силы проявляются в форме частиц, масса которых определяет радиус действия силы, еще одно свидетельство в пользу того, что субатомную действительность невозможно разделить на составные части.

Начиная от нашего макроскопического окружения и заканчивая уровнем ядра, силы притяжения относительно слабы, поэтому можно сделать обобщение, сказав, что вещи состоят из частей. Так, крупинка соли состоит из молекул, молекулы соли – из двух разновидностей атомов, атомы – из ядер и электронов. Однако на уровне элементарных частиц такой взгляд на вещи уже недопустим. Но все эти элементарные частицы входят в атомы, молекулы, крупинки и т. д.

Это обусловлено четырехмерной пространственно-временной сущностью субатомной действительности. Субатомные частицы не есть неподвижные трехмерные объекты, похожие на бильярдные шары; это динамические структуры, каждая из которых имеет пространственный и временной аспекты. Пространственный аспект придает им характеристики объектов, обладающих некоторой массой, а временной аспект – характеристики процессов, в которых существует количество энергии, равное их массе.

В последнее время появилось много свидетельств в пользу того, что протоны и нейтроны также могут быть разложены на составные части. Так как скорости их компонентов весьма высоки, то по отношению к этим частицам также необходимо применить релятивистский подход. Поскольку все силы являются одновременно частицами, то полностью стирается различие между частицами – компонентами нейтрона (или протона) и частицами, проявляющимися в форме сил притяжения. Это еще раз подтверждает, что мир частиц нельзя разложить на элементарные составляющие.

Эксперименты последних десятилетий раскрыли динамическую сущность мира частиц. Любая частица может быть преобразована в другую; энергия может превращаться в частицы, и наоборот. В этом мире бессмысленны такие понятия классической физики, как «элементарная частица», «материальная субстанция» и «изолированный объект». Свойства частицы могут быть поняты только при рассмотрении ее взаимодействия с окружающей средой, и частицы следует рассматривать не как самостоятельные единицы, а как неотделимые части целого. Английский физик Стапп пишет: «Любая элементарная частица – это не независимая неразложимая на части единица. В сущности, это набор отношений, связывающих частицу с внешним миром».

Таким образом, согласно представлениям современной физики, Вселенная – это динамическое неделимое целое, включающее и наблюдателя. Благодаря такому подходу измерительные приборы и сами ученые представляют собой единую комплексную систему, которая не делится на самостоятельные, четко определенные части. Квантовая теория свидетельствует о принципиальном единстве Вселенной. Она показывает, что нельзя разложить мир на независящие друг от друга мельчайшие составляющие.

Вывод о неделимой Вселенной приобретает особый колорит после знакомства с еще одним уникальным парадоксом квантовой механики – с нелокальностью.

Date: 2015-08-15; view: 645; Нарушение авторских прав