Страницы истории науки и техники
Шрифт:
4) барионы (от греч. barys — тяжелый), в состав которых входят нуклоны (т. е. протоны и нейтроны), нестабильные частицы с массами, большими массы нейтрона, гипероны, многие из резонансов.
Сначала, особенно когда число известных элементарных частиц ограничивалось электроном, протоном и нейтроном, господствовала точка зрения, что атом состоит из этих элементарных «кирпичиков». А дальнейшая задача в исследовании структуры вещества заключается в том, чтобы разыскивать новые, еще неизвестные «кирпичики», из которых состоит атом, и в определении того, не являются ли эти «кирпичики» (или некоторые из них) сами сложными частицами, построенными из еще более тонких «кирпичиков».
При таком подходе к делу было логично считать элементарными только те частицы, которые не могут быть разделены на более мелкие или которые мы пока не можем разделить. Смотря так на структуру материи, молекулу и атом нельзя было бы считать элементарными частицами, так как молекула состоит из атомов, а атомы —
Однако действительная картина строения вещества (или, лучше сказать, картина, которую мы сегодня считаем действительной) оказалась еще более сложной, чем можно было предполагать. Оказалось, что элементарные частицы могут претерпевать взаимные превращения, в результате которых некоторые из них исчезают, а некоторые появляются. Например, в результате столкновения двух протонов образуются протон, нейтрон и +– мезон, а при столкновении электрона и позитрона (процесс аннигиляции) возникают два фотона. Нестабильные микрочастицы распадаются на другие, более стабильные, но это вовсе не значит, что первые состоят из вторых.
Поэтому в настоящее время под элементарными частицами понимают такие «кирпичики» Вселенной, из которых можно построить все, что нам известно в природе. Мир элементарных частиц сложен, а теория элементарных частиц находится в начале своего развития. Вероятно, ближайшие годы внесут в нее много нового. О трудности решения задач подобного рода Эйнштейн и Инфелъд говорят следующее: «Физические понятия суть свободные творения человеческого разума и неоднозначно определены внешним миром, как это иногда может показаться. В нашем стремлении понять реальность мы отчасти подобны человеку, который хочет понять механизм закрытых часов. Он видит циферблат и движущиеся стрелки, даже слышит тиканье, но он не имеет средств открыть их корпус. Если он остроумен, он может нарисовать себе некую картину механизма, которая отвечала бы всему, что он наблюдает, по он никогда не может быть вполне уверен в том, что его картина единственная, которая могла бы объяснить его наблюдения. Он никогда не будет в состоянии сравнить свою картину с реальным механизмом, и он не может даже представить себе возможность или смысл такого сравнения. Но он, конечно, уверен в том, что по мере того, как возрастает его знание, его картина реальности становится все проще и проще и будет объяснять все более широкий ряд его чувственных восприятий» [324] .
324
Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики, с. 30.
Приблизительно в 1963–1964 гг. появилась гипотеза о существовании кварков— частиц, из которых состоят все барионы и мезоны, являющиеся сильно взаимодействующими и по этому свойству объединенными общим названием адронов. Уже около двадцати лет прошло с тех пор, как была выдвинута гипотеза кварков, но до настоящего времени вопрос о их существовании нельзя считать решенным. Однако большинство физиков, но-видимому, полагает, что кварки существуют. Кварки (если они существуют) имеют весьма необычные свойства: они обладают дробными электрическими зарядами, что не характерно какой-либо другой микрочастице, и, по-видимому, не могут существовать в свободном, не связанном виде. Число различных кварков, отличающихся друг от друга величиной и знаком электрического заряда и некоторыми другими признаками, достигает уже 36, если не больше.
Приводим интересное соображение известного советского физика В. Л. Гинзбурга, непосредственно касающееся кварков: «Нужно ли, впрочем, решать вопрос в какой-то категорической форме: „адроны состоят из кварков“ или „кварки — это лишь вспомогательное понятие“? Не является ли более привлекательной картина, в которой адроны представляют собой сложные динамические системы, имеющие общие черты с атомами и атомными ядрами, но качественно отличные от них именно в смысле их неделимости на самостоятельные составные части? Такой подход кажется весьма глубоким [325] . Все развитие атомистики шло по пути введения все новых первичных кирпичей вещества (молекулы, атомы, атомные ядра и электроны, нуклоны); кварки были бы еще одним этапом на этом пути, и если так продолжать, то встал бы вопрос: а из чего состоят кварки? Более того, протокварки уже фигурируют в физической литературе. Но не все могут верить в существование „бесконечной матрешки“ — открыли одну куклу, а в ней лежит другая, и так без конца. Глубокой и вместе с тем естественной по ряду соображений представляется мысль как раз о том, что безграничное и механическое повторение процесса деления вещества когда-то прекращается, причем нетривиальным образом: барионы и мезоны, возможно, одновременно и состоят из частей (типа каких-то кварков) и не состоят из них. Именно так можно описать ситуацию, в которой составные части не могут существовать сами по себе (в свободном состоянии), но тем не менее в ряде отношений ведут себя аналогично ядру в атоме или нуклонам в ядре» [326] .
325
Воспользуемся случаем, чтобы привести здесь приписываемое Н. Бору определение глубокого утверждения или замечания: «Для того чтобы определить, которое утверждение является глубоким, нужно раньше определить, что такое ясное утверждение. Утверждение считается ясным, если противоположное утверждение или правильно, или ложно. Глубокое утверждение должно обладать тем свойством, что противоположное утверждение также является глубоким». — Примеч. В. Л. Гинзбурга.
326
Гинзбург В. Л. О физике и астрофизике, с. 63–64.
В заключение настоящего раздела необходимо сказать о большом значении для изучения микроструктуры вещества ускорителей заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер), используемых для получения частиц высоких энергий, с помощью которых удается проследить процессы, происходящие с элементарными частицами. Ускоряемые частицы движутся в вакуумной камере, а управление их движением производится чаще всего с помощью магнитного поля.
Астрономия и астрофизика
На рис. 46, вряд ли нуждающемся в пояснениях, схематически показана Солнечная система, одной из сравнительно малых планет которой является наша Земля. Размер (диаметр) Солнечной системы составляет около 10 млрд, км, в то время как средний диаметр Земли равен приблизительно 12,7 тыс. км. Земля вращается вокруг Солнца по близкой к круговой орбите со скоростью, немного меньшей 30 км/с, на среднем расстоянии от Солнца около 150 млн. км. Луна — спутник Земли, обращается вокруг Земли; расстояние между ними составляет приблизительно 384 тыс. км. Масса Земли (при средней плотности, равной 5518 кг/м3) составляет 5976 10 21 кг.
Под Вселенной (или Метагалактикой) в астрономии обычно понимается та часть мира, которая доступна наблюдению и исследованию. Во Вселенной существуют большие скопления звезд — галактики, в каждую из которых входит порядка 100–200 млрд, звезд. Солнечная система также входит в одну из галактик. В астрономии нашу Галактику (от греч. galaktikos — млечный) принято писать с большой буквы, а все прочие галактики — с малой буквы. Так называемый Млечный Путь, который хорошо виден на небе ночью в ясную погоду, как раз и представляет собой нашу Галактику. Для описания галактик наши земные меры длины, километр или миля, являются неудобными (по своей малости) и никогда не применяются. Гораздо более удобной мерой длины является световой год, т. е. расстояние, которое проходит свет в течение года. Учитывая, что свет за 1с проходит 300 тыс. км, трудно даже представить себе, какое это огромное расстояние (приблизительно 10 000 млрд. км).
Наша Галактика состоит примерно из 150 млрд, звезд (светящихся плазменных шаров), в число которых входит Солнце и в которых сосредоточена основная масса Галактики, галактических туманностей, которые составляют разреженные газы и частицы пыли, космических лучей (потока стабильных частиц высоких энергий), магнитных полей, излучения (фотонов). Форма нашей Галактики напоминает огромный диск (именно в этом диске сосредоточено большинство звезд), диаметр которого близок к 100 тыс. световых лет, а толщина — к 1500 световых лет. Надо заметить, что для земного наблюдателя Галактика выглядит не как огромный диск, а именно так, как смотрится Млечный Путь. Наиболее близкие к нашей Галактике другие звездные системы (галактики) — Магеллановы Облака и туманность в созвездии Андромеды — находятся на огромных расстоянии — соответственно 200 тыс. и 1800 тыс. световых лет. Общее число галактик в Метагалактике оценивается миллиардами.
Солнечная система находится далеко от ядра Галактики, на ее периферии, на расстоянии около 30 световых лет от центра Галактики. Возраст Солнечной системы оценивается приблизительно в 5 млрд. лет.
Рис. 46. Солнечная система.
В физике получил широкую известность эффект Доплера, заключающийся в том, что длины воли наблюдаемого источника при удалении источника от наблюдателя увеличиваются, а при приближении источника — уменьшаются. Причем по величине изменения длины волны оказалось возможным судить о скорости, с какой удаляется или приближается источник. Этот экспериментально установленный факт привел к исключительно важному фундаментальному открытию. Изучение спектров галактик показало, что все они (за небольшим числом объяснимых исключений) удаляются от земного наблюдателя, т. е. Вселенная расширяется. Этот на первый взгляд неожиданный и даже удивительный вывод является теперь общепризнанным. К этому вопросу мы еще вернемся. Заметим только сейчас, что скорость расширения Вселенной является очень высокой (десятки и сотни километров в секунду) и все время возрастает.