книги из ГПНТБ / Богуш А.А. Элементарные частицы

ное с нашими понятиями и представле­ ниями.

Последнее обстоятельство в очень сильной степени как раз и проявляется в нашем слу­ чае, когда мы пытаемся определить, что такое элементарная частица. Уж слишком необыч­ ны эти объекты. Положение значительно усу­ губляется еще и потому, что наши представ­ ления о них непрерывно и очень быстро изме­ няются. Те определения, которые еще вчера казались удовлетворительными, сегодня ста­ новятся уже недостаточными, негодными, а в отдельных случаях даже ошибочными. Мы имеем здесь характерный пример такого по­ нятия, которое, складываясь исторически, по­ стоянно обогащаясь все новым и новым содер­ жанием, пока еще не достигло той завершаю­ щей стадии, когда его можно было бы считать сформировавшимся. И самое удивительное состоит в том, что мы сегодня не в состоянии еще сказать, когда этот процесс будет завер­ шен и будет ли такой этап в развитии этой об­ ласти науки вообще.

Из всего сказанного становится очевидным, что любое определение элементарной частицы, которое может быть теперь дано, будет но­ сить заведомо относительный характер и лишь в той или иной мере отражать тот уровень знаний об этих микрообъектах, который соот­ ветствует данному историческому этапу еще далеко не завершенного процесса развития учения об элементарных частицах.

Конечно, это отнюдь не означает, что в принципе следует отказаться от попыток дать определение элементарной частицы. Физика

30

элементарных частиц в настоящее время вы­ делилась в самостоятельный раздел современ­ ной науки с вполне определенным предметом исследования. А это в свою очередь означает, что те объекты микромира, которые она изу­ чает, достаточно четко определены и понятие «элементарная частица» имеет уже вполне определенное содержание. Следовательно, по­ добно тому как существуют характерные при­ знаки, позволяющие, например, отделить жи­ вой мир от неживого, растения от животных, должны существовать специфические, прису­ щие только элементарным частицам качества и свойства, которые позволяют их выделить из всей остальной совокупности микрообъек­ тов.

Для того чтобы дать пусть даже неполное и не исчерпывающее, но соответствующее со­

временному уровню знаний определение эле­ ментарной частицы, мы должны прежде всего уяснить себе, что мы понимаем под словом «элементарный» в применении к данному ти­ пу микрообъектов, что с нашей точки зрения следует считать критерием элементарности в микромире.

История развития учения о строении веще­ ства, берущая свое начало еще от умозритель­ ных идей Демокрита (V в. до н. э.), вплоть до начала XX в. фактически оперировала с не­ изменным критерием элементарности. Эле­ ментарными считались простейшие, недели­ мые, неизменные и бесструктурные крупицы материи. Все многообразие объектов окружа­ ющего мира определялось тем, что эти эле-

31

менты находились в различных состояниях движения, по разному связывались друг с другом. Движение, изменение состояний окру­ жающих предметов не затрагивало структу­ ры исходных кирпичиков материи, считалось, что во всех процессах, явлениях они остаются сами собой. Но как только по мере накопле­ ния наблюдений и опытных данных исследо­ ватель сталкивался с фактами, указывающи­ ми на изменение структуры, сложное строение тех микрообъектов, которые считались элемен­ тарными, он неизбежно направлял все свои усилия на поиски новых претендентов на ти­ тул «элементарные». При этом, как само собой разумеющееся, предполагалось, что критерий элементарности сохраняет силу в своем преж­ нем виде, автоматически переносится на но­ вые, более мелкие объекты.

Так было, например, когда обнаружилось, что молекулы состоят из атомов. Такая же тенденция, естественно, сохранилась и после того, как было установлено сложное строение атома и были открыты более мелкие частицы, чем атом, его составные элементы — электро­ ны, протоны и нейтроны. Вот тогда атом пере­ стали считать элементарным и критерий эле­ ментарности, включающий в себя как обяза­ тельный признак неизменности и бесструктур­ ное™, был перенесен на эти новые частицы. Как известно, такая попытка привела к кризи­ су в физике. Проникнув внутрь атома, ученые совершенно неожиданно для себя перешагну­ ли тот рубеж, за которым веками сложившие­ ся представления о движении, о сущности ве­ щей, основанные на повседневном опыте,

32

оказались непригодными. Электрон оказался настолько своеобразной частицей, что все при­ вычные мерки к нему не подходили. Естест­ венно, что в итоге и рухнул старый, казавший­ ся незыблемым, надежным, критерий элемен­ тарности.

Чтобы разобраться в ранее недоступных явлениях микромира, пришлось раз и на­ всегда отказаться от привычных, простых и по­ нятных и благодаря этому многим весьма до­ рогих, старых представлений. Ломка была весьма болезненной. Новые представления

хранить старое, несколько подправив его. Та­ кого рода рецидивы прошлого нет-нет да и по­

мость построения новой теории — теории мик­ роявлений, теории движения микрообъектов. Такая теория была создана и одержала пол­ ную безоговорочную победу, позволила чело­ веку заглянуть в загадочный мир микроявле­ ний, разгадать и понять многие его сокровен­ ные тайны.

Для того чтобы хотя бы в какой-то степени уяснить себе весьма сложный путь рождения новой теории, получить представление о ее основных идеях, нам придется вкратце оста­ новиться на тех интереснейших событиях, ра-. зыгравшйхся на рубеже XIX и XX вв., кото­ рые привели к ее созданию, тем более что эти

события неразрывно связаны с открытием первых элементарных частиц.

Изучение природы электричества натолк­ нуло ученых па предположение, что носителя­ ми его являются мельчайшие одинаковые электрические частицы. Эти частицы были обнаружены в 1897 г. в виде катодных лучей, испускаемых отрицательно заряженным ка­ тодом разрядной трубки. Оказалось, что эти лучи представляют собой потоки мельчайших частичек с минимальным отрицательным элек­ трическим зарядом и ничтожной массой. Это был электрон — первая элементарная части­ ца с массой 9,1 -10 28 г и электрическим заря­ дом 4,8- 10“ 10 CGSE. Примерно в это же вре­ мя изучение электромагнитных волн и спект­ ров теплового излучения приводит к новым представлениям о свете. В 1900 г. немецкий физик Макс Планк, чтобы объяснить распре­ деление энергии по различным частотам в сплошном спектре теплового излучения, вы­ двигает предположение о существовании к о р- п у с к у л, частиц света, к в а н т о в света. Че­ рез несколько лет, в 1905 г. Альберт Эйнштейн, развивая эту гипотезу, устанавливает связь волновых характеристик света, частоты и дли­ ны волны с корпускулярными его свойствами,

это или частицы, решился на основе компро­ мисса, на основе синтеза, казалось, совершен­

34

но несовместимых друг с другом точек зрения: с в е т — э т о и ч а с т и ц ы и в о л н ы .

Вопрос о механизме испускания квантов света — фотонов потребовал выяснения вну­ треннего строения атома — источника света. Идея создания первой удачной модели атома принадлежит известному датскому физику Нильсу Бору и опирается на знаменитые опы­

почти вся масса атома сосредоточена в нич­

атома водорода — несет на себе единичный

жутся вокруг ядра не произвольно, а по впол­ не определенным замкнутым орбитам. Каж­ дой орбите электрона соответствует опреде­ ленная энергия и момент вращения. В дру­ гих состояниях электроны находиться не мо­

удаленную от ядра) орбиту с большей энерги­ ей Еи если он получит определенное количе­ ство энергии, в точности равное разнице Е х—

35

более низкую (/Го), высвобождая при этом из­ лишек энергии в виде кванта света — фотона с энергией Е\—Е0. Эта энергия по гипотезе Эйн­ штейна однозначно определяет и частоту ис­ пускаемого света (о, а именно

где к — постоянная, введенная еще Планком, равная 1,05 • 10~27 эрг • сек (элементарный механический момент). Все эти предположе­ ния блестяще подтвердились на многочислен­ ных экспериментах и остаются справедливыми

ипоныне.

Несмотря на замечательные успехи этой мо­ дели атома, у физиков оставалось чувство

явной неудовлетворенности, недовольства та­ ким состоянием, когда наука должна базиро­ ваться на предположениях, обосновать кото­ рые никак нельзя. Возникает потребность в создании общей теории, из которой предполо­ жения Планка, Эйнштейна, Бора и других вы­ текали бы как закономерные следствия. Осно­ вания для поисков такой теории уже были заложены в том, что все эти предположения никак не укладывались в рамки старой тео­ рии и даже, наоборот, в корне ей противоре­ чили. Уже из модели Бора следовало, что источник новых идей нужно искать в новых представлениях о законах движения микрообъ­ ектов, резко отличающихся, по-видимому, от

36

ранее известных законов движения макро­ объектов — больших тел. Спасительная идея была найдена французским физиком Луи де Бройлем, который предположил, что корпу­ скулярно-волновая двойственность — общее свойство, присущее всей материн. Иначе гово­ ря, частицам присущи волновые свойства. Опыты по рассеянию электронов на кристал­ лической решетке показали, что рассеянные электроны действительно дают на экране свое­ образную картину, которую можно объяснить только тем, что электрон обладает волновыми свойствами. Длина волны X определяется формулой

Значение этого открытия сейчас трудно пе­ реоценить. Оно является блестящим подтвер­ ждением основного положения марксистсколенинской философии о единстве материаль­ ного мира.

На этом завершается тот период бурных событий в физике, который подготовил почву для создания новой теории — т е о р и и д в и ­

ха н и к и .

Вначале 20-х годов нашего столетия необ­ ходимость создания теории движения микро­ объектов стала настолько назревшей и неот­ ложной, что за решение этой сложной и труд-

37

пой задачи почти одновременно взялись фи­ зики-теоретики разных стран. Появление кван­ товой механики, созданной немецким фи­ зиком Вернером Гейзенбергом и австрийским теоретиком Эрвином Шредингером, францу­ зом Луи де Бройлем и англичанином Полем Дираком, явилось подлинной революцией в развитии физики. Разрозненные гипотезы и предположения, выдвинутые ранее Планком, Бором, Эйнштейном и другими учеными, в зна­ чительной мере носившие характер удачных догадок, получили в новой теории строгое тео­ ретическое обоснование. Квантовая механика на основе принципиально нового статистиче­ ского (вероятностного) описания микрообъек­ тов объединила в себе волновые и корпуску­ лярные представления как о свете, так и о веществе. Она, естественно, объяснила харак­ терную для микромира квантованмость — дискретность набора допустимых значений физических величин, в частности, допустимые в теории Бора значения энергий и моментов атома. Построение последовательной теории атомов и молекул, находящееся в изумитель­ ном согласии с данными опыта, явилось бле­ стящим триумфом квантовой механики. Лишь па основе квантовой механики оказалось воз­ можным проникнуть в тайну периодического закона химических элементов, гениально пред­ угаданного русским ученым Дмитрием Ивано­ вичем Менделеевым.

Сегодня трудно назвать какую-либо об­ ласть современной физики (как,впрочем,и дру­ гих точных наук), на которой в той или иной мере не сказалось бы плодотворное влияние

38

идей квантовой теории. Достаточно, напри­ мер, вспомнить современную спектроскопию и электронную оптику, квантовую теорию твер­ дого тела и полупроводников, радиофизику и квантовую химию, ядерную физику и кванто­ вую электронику. В этом смысле можно ска­ зать, что в наши дни квантовая механика все больше становится наукой инженерной.

Говоря о роли квантовой механики в фи­ зике элементарных частиц, мы укажем здесь еще на одно весьма важное и характерное со­

неопределенности между энергией и временем. Суть его сводится к тому, что чем большее время существует данная микросистема, тем точнее определяется ее энергия. Следует от­ метить, что эти соотношения носят вполне определенный количественный характер и оказываются, в частности, принципиально важными при описании короткоживущих ча­ стиц, время жизни которых определяется нич­ тожными промежутками времени.

Однако сама по себе квантовая механика не сумела дать полное и исчерпывающее опи­

39