Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Теперь обратимся к ядру, которое когда-то было предметом изучения физики элементарных частиц. В ядерной физике мы опять-таки задаемся несколькими вопросами: Существует ли какой-то аналог периодической таблицы? Что означает тот факт, что электрический заряд ядра является целым числом? Почему происходит так, что каждый атом имеет массу, которая является приблизительно целочисленным кратным атома водорода? В самом деле, благодаря открытию изотопов, выяснилось, что все легкие ядра имеют приблизительно целочисленную атомную массу. Если масса ядра атома водорода равна единице, тогда ядро гелия весит четыре, бора — одиннадцать, а углерода — двенадцать. Бедный хлор имеет атомную массу, равную 35,5 — настолько далекую от целого числа, насколько это возможно. Однако этому было найдено объяснение: оказывается (это открыли в двадцатые годы), что хлор на 75 процен- Что такое элементарная частица?
135
Mg Al 1825 Si P S
Ca 1808 Ti 1791 V Cr
Zn As Se 1817
Sr 1808 Y 1843 Zr 1824 Nb Mo
Cd In 1863 Sn Sb Те
Рис. 3. Часть периодической таблицы, на которой приведены даты открытия некоторых элементов.
тов состоит из хлора-35, а на 25 процентов — из хлора-37, причем оба изотопа имеют примерно целочисленные атомные массы.
Так что же означают эти целочисленные массы и целочисленные заряды? С 1932 года нам известно, что это значит, что ядро не является элементарным объектом. Это маленький мешочек с бобами, содержащий две их разновидности: протоны и нейтроны, — с приблизительно равной массой. Протон имеет электрический заряд, а нейтрон — нет. Поэтому мы можем распрощаться с ядром. Пусть физики-ядерщики играют с свои детские и опасные игры: нас заботит воистину элементарное.
Перейдем к изучению так называемых элементарных частиц. Когда я учился в средней школе, список этих частиц был очень коротким: протоны, нейтроны, электроны и предполагаемые, но еще никем не виденные нейтрино. В то время Джордж Гамов написал «Один, два, три... бесконечность»; она стала одной из книг, благодаря которым я заинтересовался физикой частиц. Он писал, что существуют только эти четыре вида элементарных частиц, причем каждый настолько прост, что напоминает математическую точку. Хотя четыре — конечно, не одна, 136
что такое элементарная частица?
это было лучшее, что мы могли сделать; как-никак четыре устраивало даже древних греков. Мы достигли цели, полагал Гамов, наших поисков основных кирпичиков, образующих материю. Конечно же, Гамов ужасно ошибался, также как ошибались древние мыслители, которые утверждали, что атомы являются элементарными, неизменными и не образованы чем-то более простым. В тот самый год, когда Гамов написал свою книгу, начался демографический взрыв элементарных частиц, стимулом которому послужило открытие британцами полудюжины «странных частиц».
Оказалось, что существуют не четыре «элементарные» частицы, а буквально сотни таких частиц. Каждая имела равное право претендовать на элементарность. Мюррей Гелл-Манн в Калифорнийском технологическом институте, а также независимо от него Юваль Нееман в Израиле изобрели теорию, которая стала известна под названием «восьмеричного пути». Она внесла некоторый порядок в беспорядочную кучу вновь открытых частиц. Их теория предсказывала, что элементарные частицы должны образовывать четко определенные мультиплеты, состоящие из восьми членов (при должном представлении образующими шестиугольник) или из десяти членов (образующих треугольник). Три таких совокупности изображены на рисунке 4. Существование всех частиц в двух шестиугольных массивах уже было известно, но три частицы из треугольника еще не наблюдали. В 1962 году были открыты S*0 и и Гелл-Манн немедленно предсказал, какими свойствами должна обладать одна отсутствующая частица.
И вот! Ник Самиос и его друзья увидели O- в Брукхейвенской национальной лаборатории. Она вела себя именно так, как предсказал Гелл-Манн. История повторялась: теория Гелл-Манна была сродни периодической таблице Менделеева. Сначала никто не воспринимал эти великие достижения всерьез. Потом, когда пробелы в моделях заполнились, еретики обратились в веру, а атеисты обрели Бога. Аналог периодической таблицы Гелл-Манна и Неемана оказался правильным. Предсказанные ими частицы существуют в природе. Люди начали подозревать, что, должно быть, существует следующий уровень структуры. И он действительно существует.
Сегодня нам известно, что эти частицы не так элементарны, как когда-то казались. Сейчас мы знаем, что они состоят из кварков и выполняют их заповеди. Наблюдаемые ядерные частицы состоят из этих и только из этих разновидностей: барионов, каждый из которых образован тремя кварками; антибарионов, каждый из которых образован тремя антикварками; и мезонов, каждый из которых содержит один кварк и один антикварк. Мистический треугольник Гелл-Манна содержит частицы, состоящие из субчастиц. Одна частица, например, Д++ состоит из трех и-кварков; другая образована тремя d-кварками; частица E*0 Что такое элементарная частица?
