Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы - Марк Перельман

Казалось бы, все хорошо, но, помимо проблем наблюдения, сразу же возникает противоречие: согласно принципу запрета Паули, никакие два фермиона не могут, имея одинаковыми все квантовые числа, находиться точно в одинаковом положении, а в этих моделях одинаковые кварки занимают одно и то же положение (в резононе Δ++, который был открыт еще Ферми в рассеянии π+-мезона на протоне и имеет двойной заряд и спин 3/2, оказалось три u-кварка в одинаковом состоянии!). Эту проблему пришлось разрешать привычным образом — вводить новое квантовое число: поскольку в частице не более трех кварков, то это число может принимать три значения, и его назвали «цвет» — Н. Н. Боголюбов, А. Н. Тавхелидзе и др. (по аналогии с синтезом любого видимого цвета из трех составляющих: красного, зеленого, синего). Таким образом, например, омега-минус-гиперон нужно писать как Ω- = sкsзsс — все кварки различны и поэтому могут иметь остальные квантовые числа одинаковыми. Наблюдаемые частицы должны быть бесцветными, т. е. барионы должны содержать кварки всех трех цветов, а мезоны — по кварку и антикварку одинакового цвета. После этого законы взаимодействия между «цветными» кварками были, естественно, названы квантовой хромодинамикой (о ней — в следующем разделе).

Но довольно скоро выяснилось, что тремя кварками ограничиться нельзя.

В ноябре 1974 г. двумя группами экспериментаторов под руководством Бартона Рихтера (р. 1931) и Сэмуэля С. С. Ткнга (р. 1936) при исследовании аннигиляции позитронов и электронов из встречных пучков коллайдера были обнаружены очень узкие и поэтому необычно долго живущие резонансы. Эти группы обнаружили их одновременно и дали им разные названия, они так и обозначаются двумя значками как J/ψ или J/пси, а само открытие долго называли «Ноябрьской революцией» — оно отмечено Нобелевской премией 1976 г.

Открытие вызвало поток гипотез и множество теорий. Для объяснения причин, которые мешают им распадаться с нормальной для частиц такой массы скоростью, пришлось ввести еще одно квантовое число, помимо странности, и соответствующий кварк, названный очарованным (обозначается как с — от английского charm, в русском языке превалирует французское произношение: шарм). Этот кварк имеет электрический заряд в 2/3е, как у u-кварка, но у него добавочно есть квантовое число с = +1. Частица J/ψ является связанным состоянием с-кварка и его антикварка со спином 1. Такое состояние может распасться только на три глюона, причем с большими энергиями — поэтому-то этот распад происходит медленно, а эти глюоны уже с обычной скоростью превращаются в кварк-антикварковые пары и т. д. Потом были обнаружены и барионы, в состав которых входит и очарованный (шармированный) кварк.

Ну а позже пришлось ввести еще два кварка: b-кварк (красивый, от английского beauty) в 1977 г. и t-кварк (верхний или истинный от top или truth) в 1994 г. — каждому из них соответствуют свои квантовые числа. Все эти новые квантовые числа уже как-то неудобно называть «зарядами», и поэтому для них ввели новый термин: «ароматы» (u-d или обычный, s, с, b, t).

Для исследований свойств кварков очень важны структуры кварк-антикварк, их называют кваркониями: можно рассматривать разные уровни энергии в этих образованиях в зависимости от их полного момента — это ведь некоторый аналог системы уровней Бора в атомах. А время их жизни и продукты аннигиляции кварка и антикварка — важнейший источник сведений о них.

Мы не выписывали величины масс кварков, они оцениваются пока что с очень большой неопределенностью: масса u-кварка в 2-10 раз больше массы электрона, d-кварк вдвое тяжелее, масса s-кварка в интервале 8-16 % массы протона, с-кварк несколько тяжелее протона, b-кварк в 4 раза тяжелее, а вот t-кварк может иметь колоссальную массу, чуть ли не порядка массы атома урана!

Измерения этих масс весьма приблизительны из-за того, что никто не видел и, возможно, никогда не увидит кварков в свободном состоянии: если в привычных нам ядерном, гравитационном или электромагнитном взаимодействиях их сила падает с расстоянием, то с кварками положение, видимо, иное — сила притяжения между ними растет с расстоянием (можно провести аналогию с нарастанием силы при растяжении пружины). Поэтому и возникает проблема не-вылета или удержания кварков — ее называют обычно «проблемой конфайнмента», без перевода с английского на русский.

Итак, сейчас экспериментально зафиксировано шесть кварков, каждый из которых может быть трех цветов, и шесть лептонов (мы пока не рассматривали кванты полей, переносящих взаимодействие между ними). Существующие теории не требуют наличия еще каких-либо кварков или лептонов, но ручаться головой, что их больше нет и что именно они представляют собой последние кирпичики мироздания, вряд ли стоит.

Раздел III

Изобретать, чтобы наблюдать: микроскопы, лазеры, коллайдеры

Глава 1

Эволюция микроскопа

Первыми специализированными научными приборами были микроскопы и телескопы. На примере их развития хорошо прослеживается ход научного и технического прогресса. Поэтому интересно рассмотреть, как эволюционировали эти приборы (мы остановимся только на истории микроскопов) и как менялось отношение к ним.

1. Оптический микроскоп

Микроскоп (от греческих «микрос» и «скопео» — малый и смотрю) — это, в принципе, любой прибор для создания увеличенных изображений малых объектов: наш глаз различает размеры только до 0,1 мм. Самым простым микроскопом является лупа — одиночная линза с сильным увеличением, которая использовалась уже в середине XV в. К 1673 г. голландский натуралист-любитель Антони ван Левенгук (1632–1723) научился создавать линзы почти с 300-кратным увеличением, что дало ему возможность наблюдать бактерии размером в 2–3 микрометра, открыть существование сперматозоидов и т. д. Микроскоп Левенгука — это просто круглый стеклянный шарик, через который надо было смотреть держа его вблизи глаза и располагая объект на миллиметровых расстояниях от линзы. Левенгук производил эти «микроскопы» десятками и с каждым скреплял какой-нибудь объект, но в своих наивных письмах Лондонскому королевскому обществу, переполненных рассуждениями о погоде, о своем здоровье и т. п., он описывает множество сделанных им открытий.

Еще в XVI в. конструируется составной микроскоп с дополнительной линзой: увеличенное изображение, даваемое объективом, рассматривается, для добавочного увеличения, через окуляр. Такой микроскоп собирали Галилей, еще более совершенный микроскоп с микрометрическим винтом построил Р. Гук (он написал книгу «Микрография», где описал свои многочисленные, хотя и не систематизированные наблюдения). Однако только в 1830 г. английский микроскопист Дж. Дж. Листер (1786–1869) установил теоретические принципы комбинации линз, после чего оказалось возможным создавать сложные составные линзы, не привносящие геометрические и цветовые искажения в изображения.

Дальнейшие успехи оптической микроскопии связаны, в основном, с работами Эрнста Карла Аббе (1840–1905) на предприятиях Карла Цейсса. Аббе сочетал в себе способности теоретика, инженера-конструктора и технолога. Его уникальная всесторонность и увлеченность работой позволили достичь того, что конструкции оптических приборов Цейсса стали не только лучшими в мире, но и почти не менялись в течение долгих десятилетий[45].

Аббе разработал теорию построения изображений в микроскопе (1872), перестроил технологию получения оптических стекол и сконструировал первый современный микроскоп (1878), который продолжал все время улучшать — можно сказать, что все дальнейшие микроскопы ничем, кроме деталей дизайна, от него не отличаются (Аббе изобрел и построил еще целый ряд оптических приборов).

Помимо того, Аббе определил пределы разрешимости оптического микроскопа — они оказываются порядка 1500 крат и определяются длиной волны света — не менее 0,35 мкм для фиолетового конца спектра (0,35 · 1500 = 525 мкм ~ 0,5 мм). Дело в том, что для наблюдения предмета необходимо, чтобы он искажал волновое поле, а предмет, размеры которого меньше длины волны, колеблется вместе с волною и на ее форму не влияет.

Оптические микроскопы имеют, помимо невозможности увеличить разрешение, и другие недостатки: прозрачные объекты нужно окрашивать, невозможно заглянуть внутрь непрозрачных объектов. В направлении преодоления этих ограничений и стали думать физики.

Но сперва расскажем о замечательном открытии, связанном как раз с одним из этих недостатков.