Страница 33 из 51
Как должны вести себя силы, действующие между кварками? Пока на этот вопрос мы можем отвечать, пользуясь лишь косвенными данными, то есть непосредственно изучая только силы взаимодействия между адронами или между адронами и лептонами или адронами и фотоном. Если реальные кварки не будут обнаружены, то у нас так никогда и не появится иного способа исследования межкварковых сил.
Что же может получиться? Не сведется ли все к тому, что кварки так и нельзя будет отделить от наблюдаемых адронов и изучить независимым образом? Но в таком случае адроны должны будут по-прежнему фигурировать в таблице элементарных частиц…
Видимо, реальная ситуация в физике элементарных частиц несколько сложней, чем мы до сих пор ее себе представляли. И необходимо подробней разобраться в свойствах тех взаимодействий, которые обусловили наблюдаемое многообразие микромира…
Глава пятая,
где рассказано об очень сложных элементарных частицах — адронах
Проект — это черновик будущего. Иной раз будущее требует сотни черновиков.
Исследуя любую структуру, человек должен прежде всего найти способы воздействия на нее. Только это позволит ему понять роль отдельных элементов структуры и их взаимосвязи. Так поступает едва ли не каждый ребенок, получивший в подарок красивую и сложно устроенную игрушку. Малыш со всей доступной ему скоростью стремится проникнуть в секреты механизма, чаще всего безнадежно портит всю хитроумную внутреннюю механику, но и это полезные шаги к постижению мира. Пожалуй, любому из нас знакома хотя бы раз в жизни нападающая страсть — разобрать часы до последнего винтика.
Конечно, проникновение в каждую структуру требует особого инструмента. Игрушку можно разломать, пользуясь обычным молотком или другой «железкой». Чтобы аккуратно разобрать часы, необходимы гораздо более тонкие приспособления — специальные отвертки и пинцеты. При этом, как правило, мастер вынужден применять увеличительное стекло, с помощью которого четко различает мелкие детали.
Чтобы рассмотреть, скажем, кристаллическую структуру обычного вещества, исследователи применяют рентгеновские лучи, имеющие столь малую длину волны, что они чувствуют уже микроскопические детали строения. Еще сложнее увидеть отдельные молекулы и атомы — теперь уже необходимо применять особо короткие дебройлевские волны, связанные с потоками быстрых электронов или ионов.
А как быть в случае элементарных частиц, которые представляют собой вроде бы простейшие структурные составляющие вещества? Интуитивно ясно, что при изучении структуры каких-либо объектов хорошо бы использовать наиболее простые из них. Например, по отношению к атомам такими более простыми объектами могут служить атомные ядра или отдельные элементарные частицы. Для самих же частиц остается единственный способ выяснения их структуры — бомбардировка такими же частицами.
Не существует какого-либо инструмента с заранее известными свойствами, которым можно было бы почувствовать детали строения отдельного представителя микромира. Ведь каждый инструмент должен, в свою очередь, состоять из элементарных частиц. Это и определяет специфику исследования мельчайших составляющих вещества. Все опыты в данной области должны быть устроены по образцу тех мысленных экспериментов по рассеянию электронов, которые мы рассматривали во второй главе, в связи с вероятностной трактовкой квантовой механики.
В начальный момент времени имеются только свободные частицы, скажем, в пучке ускорителя и в веществе мишени. Когда частицы ускоряются до нужной энергии, пучок сбрасывается на мишень и за очень малое время происходит взаимодействие между частицами пучка и мишени. После взаимодействия исходные частицы, которые присутствовали вначале, и вновь родившиеся разлетаются и регистрируются специальной аппаратурой в некоторый конечный момент времени, когда их снова можно считать свободными.
Время движения частиц в свободном состоянии должно намного превышать тот промежуток времени, в течение которого они взаимодействуют. Действительно, длительность взаимодействия, как правило, очень мала — это микроскопическая величина; тогда как за время свободного движения частица должна успеть оставить макроскопический след. Поэтому физики часто говорят так: частицы приходят из минус бесконечности (–∞), взаимодействуют в момент времени, который условно соответствует центру временной оси — нулю, и после взаимодействия уходят на плюс бесконечность (+∞).
Особенно серьезные проблемы возникают в тех случаях, когда мы имеем дело с очень малыми размерами области взаимодействия, то есть того объема, в котором сталкивающиеся частицы вступают в определенный контакт друг с другом.
Например, сильные взаимодействия играют роль только в том случае, когда частицы находятся на микроскопически малых расстояниях. Протон и нейтрон могут испытывать сильнейшее взаимное притяжение, но стоит им разойтись на расстояние, заметно превышающее 10-13 сантиметра, и они начинают вести себя как свободные частицы.
У физиков нет возможности поместить особую аппаратуру в столь малую область пространства. Как вы помните, всякое устройство для перевода информации с «микро» на «макро» должно состоять из огромного числа атомов. Поэтому, изучая сильные взаимодействия, приходится измерять непосредственно лишь характеристики (импульсы, массы, заряды) свободных частиц, находящихся на больших расстояниях друг от друга задолго до взаимодействия и через большой промежуток времени после того, как само взаимодействие прекращается. И только по закономерностям изменения этих характеристик мы можем судить о том, как устроены взаимодействия и как выглядят участвующие в них частицы.
Такое положение дел приводит к несколько непривычной картине, когда о строении объектов вообще ничего нельзя сказать вне исследования взаимодействия между ними. В свою очередь, силы, действующие между частицами, приходится довольно сложным образом реконструировать по тем закономерностям поведения частиц, которые наблюдаются в различных реакциях.
Но это может показаться удивительным лишь на первый взгляд. Ведь и в своем повседневном опыте мы, строго говоря, не можем изучать структуру какого-либо объекта, не оказывая на этот объект определенного воздействия.
Скажем, исследуя незнакомую комнату, мы непременно воспользуемся освещением, на худой конец, постараемся осторожно действовать на ощупь. Возможности осветить помещение, видеть или осязать предметы, находящиеся в нем, считаются как бы само собой разумеющимися. Поэтому мы обычно воспринимаем устройство такой комнаты как нечто раз и навсегда данное, не зависящее от способа воздействия. Между тем дело здесь просто в слабости этого воздействия. Разумеется, поток света из окна или от электролампы не способен что-либо разрушить в комнате, изменить расстановку мебели и т. п. Если же действовать в темноте и на ощупь, то нетрудно навести такой беспорядок, что и не догадаешься о первоначальном расположении предметов…
Вообразим теперь такую полуфантастическую ситуацию, когда перед нами находится какое-то сложное устройство внутри большого ящика, а забраться внутрь этого ящика и покопаться в его схеме нет никакой возможности. Скажем, ящик не поддается действию механических инструментов, которые находятся в нашем распоряжении, или в него нельзя заглядывать просто по условиям игры. Снаружи имеется некоторое число «входов», куда можно подавать сигналы — определенные комбинации электрических токов, а также экран, на котором в ответ на любой «входной» сигнал появляется какой-то «выходной» сигнал, например, в виде графика поведения электрического тока.