Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

169 Все мюоны обладают постоянным собственным магнитным моментом, пропорциональным спину. При равномерном движении частицы по круговой траектории в однородном магнитном поле возникает прецессия магнитного момента, спин начинает себя вести словно собирающийся свалиться волчок. Частота прецессии определяется гиромагнитным отношением, или « g -фактором». В классической физике, где положение обладающей массой частицы в пространстве и времени точно определено, g -фактор равен единице. Когда Поль Дирак строил свою теорию электрона, в которой учитывались бы и квантовые, и релятивистские особенности, вычисленный им g -фактор оказался равным в точности двум. Но в соответствии со знаменитым принципом неопределенности Гейзенберга в квантовой механике невозможно приписать мюону (или любой другой элементарной частице) точное местоположение, к тому же он всегда окружен облаком призрачных и короткоживущих виртуальных частиц, которые он постоянно излучает и поглощает. Из-за этого его g -фактор слегка отличен от двух. Однако вычисления его с помощью теории возмущений давали бесконечность уже в первом порядке, и только с созданием квантовой электродинамики Фейнманом, Швингером и Томонагой его удалось посчитать. В их теории g -фактор равнялся 2,002. В ходе эксперимента, получившего название g-2 , отклонения g -фактора от 2 измеряются с точностью, превосходящей одну миллионную. Величина этого отклонения чрезвычайно важна для физиков, так как она может сообщить им о существовании новых, еще не открытых частиц, что, в свою очередь, даст понять, насколько правильна стандартная модель элементарных частиц. Если полученная экспериментальным путем величина полностью совпадет с полученной в теории, это будет означать, что стандартная модель подтверждается экспериментально (и ею можно пользоваться для насущных – по крайней мере, на данный момент времени – целей) и что потребности в создании новой теории пока нет. Отсутствие такого соответствия будет означать, что стандартная модель не работает и что в ней существует некая «прореха», которая может стать тропой к созданию новой физики. Измерение прецессии вектора магнитного момента мюона требует очень сложного оборудования. Его разработка и изготовление подразумевает многолетнюю выверку тысяч высокоточных его составных частей и затем настройку их на совместную работу. А это требует невероятного числа отдельных компромиссов, так как каждая отдельная часть оборудования неизбежно воздействует на все остальные. Мюоны создаются брукхейвенским ускорителем элементарных частиц, называемым AGS . Протоны из ускорителя ударяются о мишень, отчего рождаются струи других частиц, называемых пи-мезонами (пионами), а те, в свою очередь, распадаются на мюоны. Эти мюоны поляризованы, то есть все их спины направлены вдоль одной оси. Оказавшись внутри громадного сверхпроводящего электромагнита, мюоны начинают двигаться по круговым орбитам внутри вакуумной камеры. Электромагнит, изготовленный в Брукхейвенской лаборатории для описываемой цели, – самый большой в мире. Он настолько больше своих предшественников, что многие полагали невозможным само его создание. Его магнитное поле должно быть равномерным и однородным, и ученые постоянно проверяют его на наличие случайных флуктуаций. Один из методов проверки заключается в использовании особой сенсорной тележки, изготовленной исследователями, которая совершает периодические объезды всей вакуумной камеры. Как-то исследователи установили на ней крошечную видеокамеру и засняли видео ее часовой пробежки, подобной путешествию по длинному и однообразному туннелю подземки.

170 При распаде мюона образуется электрон (и два нейтрино), однако направление его движения не случайно. Из-за нарушения четности электроны летят преимущественно по направлению спина мюона. Эти электроны регистрируются детекторами, находящимися внутри кольца.

171 Тоитиро Киносита, физик-теоретик из Корнелльского университета, провел более десятилетия, продираясь сквозь бесчисленные уравнения и используя самые быстрые компьютеры, чтобы получить максимально точное значение этой величины.

172 В частности, этот эксперимент позволяет проверить одно из важных предсказаний теории относительности: мюоны движутся со скоростью, близкой к скорости света, в результате чего происходит существенное замедление часов в их собственной системе отсчета: 2,2 микросекунды их жизни соответствуют 64 микросекундам по лабораторным часам. Именно замедление часов, собственно, и делает данный эксперимент возможным.

173 Критику социально-конструктивистского подхода к науке и точки зрения, что исследовательская деятельность, по сути, является не более чем политическим или юридическим взаимодействием, в ходе которого различные стороны ведут «торговлю интересами», см.: Eger M. Achievements of the Hermeneutic-Phenomenological Approach to Natural Science: A Comparison with Constructivist Sociology // Crease R. P. (ed.). Hermeneutics and the Natural Sciences. Dordrecht: Kluwer, 1997. P. 85–109.