Дао физики

Теория относительности заметно повлияла на наши представления о материи, заставив нас существенно пересмотреть понятия об элементарных частицах. В классической физике масса тела всегда ассоциировалась с некой неделимой материальной субстанцией — «материалом», из которого состоит всё. Теория относительности показала, что масса не имеет отношения ни к какой субстанции, будучи одной из форм энергии. Но энергия — динамическая величина, связанная с действием или процессами. Поскольку масса частицы эквивалентна определенному количеству энергии, частица не может уже восприниматься как статический объект. Она должна пониматься как динамическая модель, процесс, вовлекающий энергию, которая проявляется в массе данной частицы.

Начало новому взгляду на элементарные частицы положил Поль Дирак, сформулировавший релятивистское уравнение для описания поведения электронов. Его модель не только успешно объясняла мельчайшие детали строения атома, но и раскрывала фундаментальную симметричность между материей и антиматерией. Так, Дирак предсказал существование антиэлектрона, обладающего массой электрона, но с противоположным зарядом. Пару лет спустя была открыта положительно заряженная частица — позитрон. Из принципа симметричности материи и антиматерии следует, что для каждой частицы есть античастица с той же массой и тем же зарядом, но противоположным знаком. Пары частиц и античастиц могут быть созданы при наличии достаточного количества энергии и обращены в чистую энергию в процессе взаимного уничтожения. Существование процессов синтеза и аннигиляции частиц было предсказано теорией Дирака до того, как они были открыты, и с тех пор ученые наблюдали эти процессы в лабораториях миллионы раз.

Возможность возникновения материальных частиц из чистой энергии — самый необыкновенный эффект теории относительности, который можно объяснить только при использовании вышеописанного подхода. До того как физика стала рассматривать частицы с позиции теории относительности, считалось, что материя состоит либо из неделимых и неизменных элементарных единиц, либо из объектов, которые можно разложить на более мелкие составляющие. И вопрос был только в том, можно ли бесконечно делить материю на всё более мелкие единицы и в конце концов получить мельчайшие неделимые частицы. Открытие Дирака представило проблему делимости вещества в новом свете. При столкновении двух частиц с высокой энергией они обычно разбиваются на части, размеры которых не меньше размеров исходных. Это частицы того же типа, возникающие из энергии движения (кинетической), задействованной в процессе столкновения. В результате проблема делимости материи решается неожиданным путем. Единственный способ деления внутриатомных частиц — их столкновение с использованием высокой энергии. Мы можем делить материю вновь и вновь, но не получаем более мелких частей, поскольку частицы создаются энергией. Получается, субатомные частицы одновременно и делимы, и неделимы.

Такая ситуация кажется парадоксальной, пока мы придерживаемся гипотезы о «составных объектах», состоящих из «строительных кирпичиков». Противоречие исчезает при динамическом релятивистском подходе. Тогда частицы воспринимаются как динамические модели или процессы, задействующие некоторое количество энергии, которая заключена в их массе. В процессе столкновения энергия двух частиц перераспределяется и образует новый объект. И если кинетическая энергия столкновения достаточно велика, новый объект может включать дополнительные частицы.

Высокоэнергетические столкновения внутриатомных частиц — основной метод, который используют ученые для изучения их свойств. Поэтому физика частиц носит также название «физики высоких энергий». Кинетическая энергия, необходимая для экспериментов по столкновению частиц, достигается в огромных, несколько метров в окружности ускорителях, в которых протоны разгоняются до скорости, близкой к световой, а затем сталкиваются с другими протонами или нейтронами. Поразительно, какие гигантские машины нужны для изучения бесконечно малого мира. Это своего рода супермикроскопы современности.

Большинство частиц, возникающих при столкновениях, недолговечны и существуют меньше одной миллионной доли секунды, после чего снова распадаются на протоны, нейтроны и электроны. При этом можно не только обнаружить эти частицы и измерить их характеристики, но и сфотографировать оставленные ими следы! Для этого используются специальные «пузырьковые камеры». Принцип их действия схож с принципом образования инверсионного следа в небе от реактивного самолета. Сами частицы на несколько порядков меньше пузырьков, составляющих следы частиц, но по толщине и искривленности траектории физики могут определить, какая частица его оставила. На рисунке 7 приведена картинка такого следа.

Рис. 7. Эта фотография, как и другие подобные ей, — обращенный негатив, на котором следы движения частиц видны отчетливее