Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

ТАЙНЫ КАТОДНЫХ ЛУЧЕЙ

На протяжении всей второй половины позапрошлого века физики активно изучали феномен катодных лучей. Простейший аппарат, в котором они наблюдались, представлял собой герметичную стеклянную трубку, заполненную разреженным газом, в которую с двух сторон было впаяно по электроду: с одной стороны катод, подключавшийся к отрицательному полюсу электрической батареи; с другой — анод, подключавшийся к положительному полюсу. При подаче на электроды высокого напряжения разреженный газ в трубке начинал светиться. Это свечение ученые и приписали катодным лучам.

Дискуссия о природе катодных лучей сразу же приняла острый полемический характер. Большинство видных ученых придерживались мнения, что катодные лучи представляют собой, подобно свету, волновые возмущения невидимого эфира. Другие же придерживались мнения, что катодные лучи состоят из ионизированных молекул или атомов самого газа.

У каждой стороны имелись веские доказательства в пользу своей гипотезы. Наконец в 1897 году молодой английский физик Дж. Дж. Томсон положил конец этим спорам раз и навсегда, а заодно прославился в веках как первооткрыватель первой элементарной частицы — электрона.

Используя трубку новой конструкции, Томсон выяснил, что соотношение между электрическим и магнитным полями, при котором их действие уравновешивается, зависит от скорости, с которой движутся частицы. Проведя ряд измерений, Томсон смог определить скорость движения катодных лучей. Оказалось, что они движутся значительно медленнее скорости света, из чего следовало, что катодные лучи могут быть только частицами. Эти неизвестные частицы Томсон назвал «корпускулами», но вскоре они стали называться «электронами».

Сразу же стало ясно, что электроны обязаны существовать в составе атомов — иначе откуда бы они взялись? 30 апреля 1897 года — дата доклада Томсоном полученных им результатов на заседании Лондонского королевского общества — считается днем рождения электрона. И в этот день отошло в прошлое представление о «неделимости» атомов.

В повседневной жизни имеется два способа переноса энергии в пространстве — посредством частиц или волн. Чтобы, скажем, скинуть со стола костяшку домино, балансирующую на его краю, можно придать ей необходимую энергию двумя способами. Во-первых, можно бросить в нее другую костяшку домино (то есть передать точечный импульс с помощью частицы). Во-вторых, можно построить в ряд стоящие костяшки домино, по цепочке ведущие к той, что стоит на краю стола, и уронить первую на вторую: в этом случае импульс передастся по цепочке — вторая костяшка завалит третью, третья четвертую и так далее. Это — волновой принцип передачи энергии.

В обыденной жизни между двумя механизмами передачи энергии видимых противоречий не наблюдается. Так, в бильярде шары передают друг другу энергию при столкновении, как частицы, а произнесенное слово несет энергию звуковой волны.

Однако в квантовой механике все обстоит отнюдь не так просто. Даже из простейших опытов с квантовыми объектами очень скоро становится понятно, что в микромире привычные нам принципы и законы макромира не действуют. Свет, который мы привыкли считать волной, порой ведет себя так, будто состоит из потока частиц — фотонов, а элементарные частицы, такие, как электрон или даже массивный протон, нередко проявляют свойства волны.

Возьмем экран с двумя тонкими горизонтальными прорезями и направим на него луч света. Естественно предположить, что частицы света будут проходить через оба отверстия прямо и за экраном возникнут две четкие световые полосы. Однако на практике мы наблюдаем совершенно иной эффект. Каждая из прорезей играет роль независимого источника вторичных световых волн, как поплавок на воде, и за экраном образуется сложная картина из перемежающихся полос света. Причем часть из них будет располагаться в «мертвой зоне» вне прямой линии попадания света. Это полностью соответствует модели звуковых волн, исходящих из двух стереодинамиков и дающих пик громкости стереоэффекта на линии равного удаления между ними.

Итак, совершенно очевидно, что микрочастицы ведут себя принципиально иначе, чем окружающие нас объекты. Почему это происходит? Это очень важный и сложный вопрос, над которым околонаучные философы бьются уже целое столетие. На самом же деле корпускулярно-волновой дуализм означает, что в любом материальном теле содержится «зародыш» его волновой природы. И чем меньше становится материальный объект, тем больше его вторая «волновая сущность». И электроны, и фотоны представляют собой не волны и не частицы, а нечто совершенно особенное по своей внутренней природе — и потому не поддающееся описанию в терминах нашего повседневного опыта.

Морис Эшер. Все меньше и меньше

Выдающийся голландский график иллюстрирует решение парадокса, возникшего еще в античные времена: что будет, если обыкновенное яблоко делить пополам бесконечное количество раз?

Сверхсложная элементарность

Элементарные частицы, в точном значении этого термина, — это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них, по современным представлениям, — составные системы. Общее свойство этих систем заключается в том, что они не являются атомами или ядрами. Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, сейчас представляют в виде струн, мембран и просто как мерцающие сгущения полей.

Электронно-лучевая трубка Дж. Дж. Томсона

В своем опыте Томсон использовал усовершенствованную катодно-лучевую трубку, конструкция которой была дополнена электрическими катушками, создававшими внутри трубки магнитное поле, и набором параллельных электрических конденсаторных пластин, создававших внутри трубки электрическое поле. Благодаря этому появилась возможность исследовать поведение катодных лучей под воздействием и магнитного, и электрического поля.

Столкновения элементарных частиц в конденсационной камере

Молодой ученый Карл Андерсон под руководством знаменитого физика-экспериментатора Роберта Милликена придумал установку для регистрации космических лучей, состоящую из мишени, помещенной в мощное магнитное поле. (Линии — следы пузырьков, образующихся вокруг атомов, возбужденных в результате пролета быстрых заряженных частиц.)===

ЛУЧИ ИЗ КОСМОСА

Следующее неожиданное открытие пришло из высокогорных лабораторий, изучающих состав космических лучей, бомбардирующих нашу планету. Там вскоре начали открывать всевозможные частицы, не имеющие ни малейшего отношения к классической атомной триаде — электрону, протону и нейтрону. В частности, были обнаружены совершенно немыслимые по своей природе античастицы.

Мир античастиц — своего рода зеркальное отражение знакомого нам мира. Масса античастицы в точности равняется массе частицы, которой она вроде бы соответствует, но все ее остальные характеристики противоположны прообразу. Например, электрон несет отрицательный электрический заряд, а парная ему античастица — позитрон («позитивный электрон») — положительный. У протона заряд положительный, а у антипротона — отрицательный. И так далее. При встрече частицы и ее античастицы происходит мгновенный микровзрыв (физики называют это явление взаимной аннигиляцией), и обе частицы прекращают свое существование, а их масса преобразуется в энергию, которая рассеивается в пространстве в виде вспышки фотонов и прочих сверхлегких частиц.

Существование античастиц было впервые предсказано теоретически и открыто «на кончике пера» знаменитым впоследствии английским ученым Полем Дираком.

Чтобы понять, как ведут себя частицы и античастицы при взаимодействии по Дираку, представьте себе ровное поле. Если взять лопату и вырыть в нем ямку, в поле появятся два объекта — собственно ямка и кучка грунта рядом с ней. Теперь представим, что кучка грунта — это обычная частица, а ямка, или «отсутствие кучки грунта», — античастица. Засыпьте ямку ранее извлеченным из нее грунтом — и не останется ни ямки, ни кучки (аналог процесса аннигиляции). И снова перед вами ровное поле.

Пока шло теоретизирование вокруг античастиц, экспериментатор К. Андерсон придумал их детектор, получивший название конденсационной камеры. Андерсон смог зарегистрировать частицы, возникающие в результате столкновения космических лучей с мишенью, по следам (трекам) из капелек конденсата, которые можно было сфотографировать и по полученным фотографиям изучать траектории движения частиц. Точно так же ведет себя высотный реактивный самолет, оставляя после себя в атмосфере инверсионный след.

По интенсивности трека, оставленного частицей, можно судить о ее массе, а по характеру отклонения ее траектории в магнитном поле — определить электрический заряд частицы. Вскоре удалось зарегистрировать ряд столкновений, в результате которых образовывались частицы с массой, равной массе электрона, однако отклонялись они под воздействием магнитного поля в противоположную сторону по сравнению с электроном и, следовательно, имели положительный электрический заряд. Так была впервые экспериментально выявлена античастица — позитрон. Все следующие за позитроном античастицы были экспериментально обнаружены уже в лабораторных условиях — на ускорителях. Сегодня физики-экспериментаторы имеют возможность буквально штамповать их в нужных количествах для текущих экспериментов, и чем-то из ряда вон выходящим античастицы давно не считаются.

Сейчас ученым известно четыре вида сил, определяющих рождение и жизнь элементарных частиц. Сильное взаимодействие элементарных частиц вызывает процессы, протекающие с наибольшей сравнительной интенсивностью, и приводит к возникновению самой сильной связи среди элементарных частиц. Именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещества и тем самым определяет устойчивость окружающих нас вещей. Слабое взаимодействие элементарных частиц вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе радиоактивные распады. Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного. Гравитационное взаимодействие элементарных частиц является наиболее слабым из всех известных. Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях дает чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.

На протяжении двух последних веков ученые, интересующиеся строением Вселенной, искали базовые строительные блоки, из которых состоит материя, — самые простые и неделимые составляющие материального мира. Атомная теория объяснила все многообразие химических веществ, постулировав существование ограниченного набора атомов так называемых химических элементов, объяснив природу всех остальных веществ через различные их сочетания. Таким образом, от сложности и многообразия на внешнем уровне ученым удалось перейти к простоте и упорядоченности на элементарном уровне.

Но простая картина атомного строения вещества вскоре столкнулась с серьезными проблемами. Прежде всего, по мере открытия все новых и новых химических элементов стали обнаруживаться странные закономерности в их поведении, которые, правда, удалось прояснить благодаря вводу в научный обиход периодической системы Менделеева. Однако представления о строении материи все равно сильно усложнились.

В начале прошлого столетия стало ясно, что атомы отнюдь не являются элементарными «кирпичиками» материи, а сами имеют сложную структуру и состоят из еще более элементарных частиц — нейтронов и протонов, образующих атомные ядра, и электронов, которые эти ядра окружают. И снова усложненность на одном уровне, казалось бы, сменила простота на следующем уровне детализации строения вещества. Однако и эта кажущаяся простота продержалась недолго, поскольку ученые стали открывать всё новые и новые элементарные частицы.

В обычной ньютоновской физике любая сила — это либо притяжение, либо отталкивание, изменяющие характер движения тела. Но в современных квантовых теориях сила, действующая между элементарными частицами, интерпретируется несколько иначе. Считается, что сила возникает в результате того, что две частицы обмениваются третьей.

Приведем следующую аналогию. Представьте себе пару фигуристов на катке, едущих друг другу навстречу. Приблизившись, один из них вдруг выплескивает на другого ведро воды. Тот, кто выплеснул воду, от этого затормозит и изменит направление движения. И тот, кто получил порцию воды, также затормозит и изменит направление. Таким образом, «обменявшись» водой, оба фигуриста изменили направление движения. Согласно законам механики, это означает, что между фигуристами произошло силовое взаимодействие. В приведенном примере нетрудно увидеть, что эта сила возникла из-за (или, как сказали бы физики, передалась «через» или «посредством») обмена водой.

Еще один пример касается двух лодочников, гребущих на встречных курсах. Один гребец перебрасывает массивный предмет партнеру, когда они проплывают друг мимо друга. В результате действия закона сохранения импульса, когда первый гребец сделал бросок, курс его лодки отклонился от прямолинейного в сторону, противоположную направлению броска, а когда второй гребец поймал предмет, его импульс передался ему, и вторая лодка также отклонилась от прямолинейного курса, но уже в сторону броска. Таким образом, в результате обмена предметом обе лодки изменили направление. Согласно механике Ньютона, это означает, что между лодками произошло силовое взаимодействие. Но ведь лодки не вступали между собой в прямое соприкосновение? Здесь мы и видим наглядно, и понимаем интуитивно, что сила взаимодействия между лодками была передана носителем импульса — переносчиком взаимодействия.

Оптимистичные ярлыки «универсальная теория», «теория всего сущего», «теория великого объединения», «окончательная теория» сегодня используются в отношении любой теории, пытающейся объединить все четыре взаимодействия, рассматривая их в качестве различных проявлений некоей единой и великой силы. Если бы это удалось, картина устройства мира упростилась бы до предела. Вся материя состояла бы лишь из кварков и лептонов, и между всеми этими частицами действовали бы силы единой природы. Уравнения, описывающие базовые взаимодействия между ними, были бы столь короткими и ясными, что уместились бы на почтовой открытке, объясняя при этом, по сути, основу всех без исключения процессов, наблюдаемых во Вселенной.

Здесь мы продолжим знакомить читателя с шедеврами научной популяризации из не столь уж и далекого прошлого и предлагаем небольшой отрывок из книги доктора химических наук Юрия Георгиевича Чиркова «Охота за кварками».

Кварки

Взаимодействие между кварками в составе элементарных частиц можно графически представить в виде диаграммы Фейнмана, названной так в честь американского физика Ричарда Фейнмана. На представленной диаграмме красный и синий кварки обмениваются глюоном и меняют свой цвет на цвет партнера по взаимодействию.

Юрий Георгиевич ЧИРКОВ ОХОТА ЗА КВАРКАМИ

Слово «кварк» ввел в науку американский физик-теоретик М. Гелл-Ман. М. Гелл-Мана, как и других физиков, беспокоила неразбериха и толчея, наблюдавшиеся в мире элементарных частиц.

И вот в 1963 году одновременно и независимо, находясь даже на разных континентах — один в Америке, другой в Европе, — теоретики американец М. Гелл-Ман и австриец Г. Цвейг, чтобы устранить противоречие, высказали гипотезу о существовании трех фундаментальных субъядерных частиц, различными комбинациями которых и является большинство элементарных частиц.

Только в вопросе, как назвать эти «детальки» микромира, М. Гелл-Ман и Г. Цвейг разошлись. Американец, большой, видимо, почитатель творений Д. Джойса, в поисках подходящего имени для новых частиц, возможно, начал перечитывать роман «Поминки по Финнегану» и наткнулся на то место, где дублинский трактирщик возомнил себя королем Марком, персонажем средневековой легенды.

Королю кажется, что его племянник Тристан украл у него жену, прекрасную Изольду. Марк преследует похитителя на корабле. В небе над парусами кружат чайки (которые, впрочем, может быть, вовсе не чайки, а судьи).

Они зловеще кричат-каркают: «ТРИ КВАРКА ДЛЯ МИСТЕРА МАРКА!» Короля мучают кошмары, а чайки все повторяют:

«ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА…»

Слово «кварк» перекочевало со страниц романа Д. Джойса в мир элементарных частиц легко и естественно. Скорее всего в этом отрывке М. Гелл-Мана привлекало то, что число кварков было именно три. Столько, сколько и требовала теория.

Пришлось по вкусу ученому и само слово «кварк» — звучное, диковинное, абсолютно не затасканное в других употреблениях.

Итак, М. Гелл-Ман выбрал слово, и оно пришлось к месту. Г. Цвейг же был менее удачлив. Он назвал гипотетические субчастицы, претендующие на роль истинных кирпичиков праматерии, «тузами». Эта картежная терминология оказалась не столь привлекательна (тузов-то четыре!), теперь о ней почти никто не вспоминает.

А кварки прижились. Удивляло и радовало, что всего трех кварков было достаточно, чтобы конструировать из них — словно это детские кубики — огромное число открытых к тому времени элементарных частиц.

И вновь раздались победные клики в стане физиков.

Казалось, наступила долгожданная пора, когда можно было «закрыть» большинство элементарных частиц за ненадобностью: ведь они были составными!

В 1965 году в журнале «Успехи физических наук» академик Я. Зельдович опубликовал статью «Классификация элементарных частиц „в изложении для пешеходов“». Уже само название подчеркивало: теперь тонкости микромира можно просто и ясно объяснить любому встречному, даже ребенку.

Академик писал в статье, что, возможно, физики добрались до атомизма нового типа, вскрыли, так сказать, новый пласт материи. Что создано нечто вроде новой таблицы Менделеева, только уже на субъядерном уровне.

Тон статьи был мажорный, радостный. «Современный физик имеет полное право повторить строки Ф. Тютчева», — писал Я. Зельдович и цитировал их: