Пределы материи - Журнал "Компьютерра"

24 мая 2012 года

Пределы материи

Автор: Сергей Петрушанко
Опубликовано в журнале "Компьютерра" №18 от 14 мая 2001 года

С древнейших времен человек задавался вопросом о том, из чего же состоит окружающий нас мир. Античность подарила миру красивую теорию о четырех элементах - огне, воздухе, воде и земле, - которые лежат в основе вещества. Древнегреческий мыслитель Демокрит предложил концепцию атомов, бесструктурных неделимых частиц материи, носящихся в пустоте и познаваемых только с помощью разума. Будущее показало, что Демокрит кое в чем оказался прав. Однако ученые научились познавать атомы не только в теориях…

В XIX веке наука пришла к выводу, что мир построен из атомов 60-70 элементов, которые Д. И. Менделеев систематизировал в периодической таблице. В 1911 году Эрнест Резерфорд, направив поток альфа-частиц от радиоактивных элементов на тонкую золотую фольгу, показал, что на самом деле атом не является бесструктурной и неделимой единицей материи. Модель атома Резерфорда хорошо известна всем нам: в центре атома, имеющего размеры
10^-8 см, находится область концентрации положительного заряда - ядро размером около 10^-13-10^-12 см, а вокруг него вращаются отрицательно заряженные частицы - электроны. Чтобы представить эти масштабы, прибегнем к аналогии: если бы атом имел размеры в сто метров, диаметр ядра составил бы менее одного сантиметра. В ядре сконцентрировано около 99,95% массы всего атома.

Вскоре после опытов Резерфорда ученые обнаружили, что атомное ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов (общее название - нуклоны, то есть частицы атомного ядра). Однако и нуклоны не являются неделимыми частицами: эксперименты показали, что они состоят из кварков - частичек еще более мелких.

Стандартная модель

В XX веке благодаря развитию экспериментальной физики высоких энергий ученые на все более мощных ускорителях открывали все новые и новые частицы. Таким образом, назрела необходимость в общей теории, систематизирующей данные о строении материи. И она появилась - это так называемая стандартная модель (СМ).

СМ говорит, что окружающий нас мир состоит из шести кварков: down, up, strange, charm, beauty, top и шести лептонов: электрон, мюон, таон и соответствующие им типы нейтрино. Между частицами имеет место три типа взаимодействия:

электромагнитное - взаимодействие электрических зарядов, переносчиком которого является электрон;
сильное, благодаря которому существуют ядра, действует между кварками, переносчики взаимодействия - глюоны;
слабое - возникает в различных процессах мира элементарных частиц, переносчики взаимодействия - W⁺- и Z⁰-бозоны.

К сожалению, СМ не включает в себя силу гравитации, которая играет важную роль в нашем мире, однако на уровне элементарных частиц она пренебрежимо мала. Есть и ряд других проблем в СМ, но, тем не менее, она очень хорошо описывает известные физикам процессы, и многие ее предсказания были подтверждены экспериментально.

В 1995 году американские ученые из Лаборатории Ферми открыли самый тяжелый кварк - top. В Европейском центре ядерных исследований (CERN ¹) на ускорителе LEP было показано, что в области доступных нам энергий существует именно шесть лептонов, а не какое-то другое число. Это подтвердило и недавнее обнаружение последней неоткрытой частицы в СМ - тау-нейтрино - в ходе международного эксперимента DONUT.

Несомненным торжеством СМ стало бы открытие Хиггс-бозона, существование которого предсказал более тридцати лет назад английский физик Питер Хиггс (Peter Higgs). Именно эта частица, как считают ученые, «виновата» в том, что элементарные частицы обладают массой. Поле невидимых нам Хиггс-бозонов должно заполнять все пространство, и чем сильнее частица взаимодействует с ним, тем больше ее масса. В сентябре 2000 года появились сообщения, что на европейском ускорителе LEP зафиксированы события, похожие на рождение Хиггс-бозона (см. «КТ» #356). Однако многие физики к этим сообщениям отнеслись скептически.

Продолжаются и попытки заглянуть в области, не охватываемые СМ. Много надежд ученые возлагают на так называемые суперсимметричные частицы - партнеры обычных частиц, позволяющие объединить свойства лептонов и бозонов - частиц с разными квантовыми числами. В этой новой модели, которая может прийти на смену СМ, нашлось бы место и для гравитации…

Не утихают споры и о том, имеет ли массу нейтрино - элементарная частица, которая очень слабо взаимодействует с веществом (именно из-за этого «неприятного» свойства нейтрино так трудно изучать). Одни ученые считают, что у нейтрино нет массы, другие же придерживаются мнения, что ее масса равна нескольким десятитысячным долям массы электрона. Решение этого вопроса может существенно облегчить жизнь не только ядерщикам, но и астрофизикам - уже давно существует предположение, что ненаблюдаемая масса вселенной (так называемая темная материя), которая фиксируется в ряде астрономических явлений, сосредоточена именно в нейтрино.

Вперед в прошлое

Думаю, все читатели хотя бы раз в жизни слышали про теорию Великого объединения. Речь идет о том, что все силы, существующие в природе, являются проявлением одной всеобщей фундаментальной силы. Есть ряд соображений, дающих основания полагать, что в момент Большого взрыва, породившего нашу вселенную, существовала только эта сила. Однако с течением времени вселенная расширялась, а значит, остывала, и единая сила расщепилась на несколько разных, которые мы сейчас и наблюдаем. Теория Великого объединения должна описать электромагнитную, сильную, слабую и гравитационную силы как проявление одной всеобщей силы. Определенный прогресс уже есть: ученым удалось построить теорию, объединяющую электромагнитное и слабое взаимодействия. Однако основная работа над теорией Великого объединения еще впереди.

В близкой сфере работают и ученые, посвятившие себя изучению возможности существования пятого состояния вещества - кварк-глюонной плазмы. В обыденной жизни мы сталкиваемся с твердым, жидким и газообразным состояниями материи. Если нагреть вещество до температур, достаточных, чтобы какая-либо часть или все электроны атомов перешли в свободное состояние, - мы получим обычную плазму. Как отмечалось выше, протоны и нейтроны, из которых состоит атомное ядро, в свою очередь состоят из кварков и связывающих кварки глюонов. Как считают ученые, если сильно нагреть и/или сжать атомное ядро, то сильное взаимодействие перестанет удерживать кварки, и ядро превратится в «суп» из кварков и глюонов - то есть в кварк-глюонную плазму. Сделать это можно на мощном ускорителе, столкнув два ядра, разогнанные до очень высоких энергий. При столкновении на миг может возникнуть кварк-глюонная плазма, что удастся зафиксировать рядом тестов. В конце 1990-х годов на ускорителе SPS в ЦЕРНе было получено косвенное свидетельство того, что кварк-глюонная плазма действительно существует. Задача ученых XXI века - подтвердить или опровергнуть существование пятого состояния вещества. В изучении кварк-глюонной плазмы заинтересованы и астрофизики - они предполагают, что вселенная существовала в виде кварк-глюонного «супа» до момента около 10^-5 секунды от Большого взрыва, положившего начало миру, и надеются, что свойства кварк-глюонной плазмы помогут лучше понять историю и механизмы образования вселенной.

Пустота и яма

Уже лет пятьдесят прошло с тех пор, как ученые извлекли из архивов подзапылившуюся идею Аристотеля, сказавшего более двух тысяч лет назад: «Природа не терпит пустоты». Что есть вакуум? Пустое место, вместилище частиц? Нет! В соответствии с представлениями квантовой механики в вакууме на короткие мгновения наблюдаются отклонения от закона сохранения энергии: рождаются пары «частица-античастица», которые тут же аннигилируют, то есть взаимоуничтожаются, превращаясь в другие частицы. Такие пары принято назвать виртуальными. Например, виртуальная пара электрон-позитрон может существовать 10^-21 секунды. Вакуум, на взгляд современных физиков, - кипящее пространство виртуальных частиц. Для того чтобы подчеркнуть, что вакуум не так пуст, как кажется, ученые используют термин «физический вакуум». Вакуум перестает быть нулевым уровнем энергии, и это приходится учитывать в физике элементарных частиц.

Еще более экзотический вопрос, встающий перед физиками XXI века: сколько же пространственных измерений у нашей вселенной? Теоретики в своих построениях микромира зачастую прибегают к странному на первый взгляд методу: они постулируют, что на уровне кирпичиков мироздания у вселенной появляются дополнительные степени свободы - новые пространственные измерения.

Однако у окружающего нас мира только три пространственных измерения - длина, ширина и высота; и одно - временное. Как же совместить полет фантазии ученых и реальную жизнь?

Современные теоретики нашли объяснение этому, основываясь на пионерских работах немецких математиков Теодора Калузы и Оскара Клейна, которые еще в 1920-е годы занимались различными вопросами теории многомерных пространств.

Согласно этому объяснению, наш мир в пятом измерении располагается в очень узкой энергетической потенциальной яме. В соответствии с некоторыми теориями, ее ширина в пятом измерении - около одного миллиметра. Поскольку мы и окружающие нас вещи обладаем небольшими энергиями, мы не можем выйти за пределы этой потенциальной ямы. Чтобы начать двигаться в пятом измерении, надо обладать очень большой энергией. Предполагается, что строящийся в ЦЕРНе ускоритель LHC позволит достичь нужных значений энергии. В этом случае при столкновениях частиц будут наблюдаться странные вещи… Святая святых современной физики - закон сохранения энергии - будет нарушаться! Поскольку частицы, приобретя энергию, достаточную для выхода из потенциальной ямы, будут «убегать» в пятое измерение и тем самым исчезать из нашего четырехмерного мира. Такие исчезновения, если они будут иметь массовый характер, довольно легко зафиксировать.

Если окажется, что наш мир изогнут в пятом измерении, перестают быть мечтой полеты со сверхсветовыми скоростями: чтобы быстро преодолевать большие расстояния, надо всего лишь двигаться… в пятом измерении. Вы скажете: фантастика! Но как знать, ведь многое из того, что кажется нам обыденным, в глазах наших предков выглядело бы чудом.

[i39526]

1 (обратно к тексту) - В русскоязычной литературе наряду с аббревиатурой CERN употребляется и ЦЕРН (подобно ЮНЕСКО).

версия для печати другие статьи автора оставить комментарий (0)
ТАКЖЕ В РАЗДЕЛЕ 24 февраля 2009 года Не отрываясь 24 февраля 2009 года Жилец вершин 10 февраля 2009 года Гаджеты, которых нет 10 февраля 2009 года Схватка 10 февраля 2009 года Мобильный телефон 2015 года 10 февраля 2009 года Список задач		MARKETGID Загрузка...