Античастицы. Эксперименты показали, что частицы, ограниченные в пределах ядра, движутся со скоростью, близкой к скорости света. Следовательно, для описания ядерных явлений и точного понимания мира атома квантовая теория не является всеобъемлющей. Она должна быть дополнена теорией относительности Эйнштейна, которая оказала сильное воздействие на наши представления, в частности, о материи, заставив нас существенно пересмотреть понятие частицы. В классической физике масса тела всегда ассоциировалась с некоей неразрушимой материальной субстанцией, из которой, как считалось, были сделаны все вещи. Теория относительности показала, что масса не имеет отношения ни к какой субстанции, являясь одной из форм энергии (2).
Однако энергия – это динамическая величина, связанная с деятельностью (или процессом). Тот факт, что масса частицы может быть эквивалентна определенному количеству энергии, означает, что частица должна восприниматься не как нечто неподвижное и статичное, а как динамический паттерн[3], процесс, вовлекающий энергию, которая проявляет себя в виде массы частицы.
Начало новому взгляду на частицы положил английский физик Поль Дирак, который первым начал процесс объединения двух великих теорий. Дирак составил уравнение, которое описывало движение электронов с учетом законов квантовой механики и теории относительности, и получил неожиданный результат. Формула для энергии электрона давала два решения: одно соответствовало уже знакомому электрону, частице с положительной энергией и отрицательным электрическим зарядом, другое – частице, у которой энергия была отрицательной, а заряд положительным. В квантовой теории поля состояние частицы с отрицательной энергией интерпретируется как состояние античастицы, обладающей положительной энергией и положительным зарядом (4).
В 1932 году американский физик К.-Д. Андерсен экспериментально обнаружил антиэлектрон в космических лучах и назвал эту частицу позитроном. В 1936 году в космических лучах были обнаружены отрицательные и положительные мюоны, являющиеся частицей и античастицей по отношению друг к другу. В 1955 году в опытах на ускорителе были зарегистрированы первые антипротоны, а несколько позже – антинейтроны. К 1981 году экспериментально были обнаружены античастицы практически всех известных элементарных частиц (4).
Дирак обратил внимание на то, что нереальные частицы с отрицательной энергией возникают из своих положительных «антиблизнецов». В результате исследований он пришел к выводу, что пустое четырехмерное пространство Эйнштейна заполнено без предела электрон-позитронными парами, которые до поры до времени никак не проявляют себя. «Этот океан (физический вакуум) заполнен электронами без предела для величины отрицательной энергии, и поэтому нет ничего похожего на дно в этом электронном океане» (2). Образно выражаясь, пространственный вакуум есть бушующий океан отрицательной энергии. Это значит, что в громадном энергетическом океане вакуума Вселенной, который внешне нам кажется совершенно инертным и спокойным, на самом деле невесомые и незримые волны отрицательной энергии непрестанно бушуют с колоссальной скоростью, близкой к скорости света.
Согласно теории Дирака, вакуум битком набит различными античастицами, но мы не можем их обнаружить, потому что они существуют в мире отрицательных энергий и сверхсветовых скоростей, откуда мы физически не можем получить какие бы то ни было сигналы. Как черное тело невозможно увидеть в темноте, так и античастицы не могут быть обнаружены в физическом пространстве.
«Океан» ненаблюдаем до тех пор, пока на него не подействуют определенным образом. Когда же в этот «океан» попадает, например, богатый энергией световой квант – фотон, то он при определенных условиях заставляет «океан» выдать себя, выбивая из него одну из многочисленных античастиц.
Эксперименты показали, что пары частиц и античастиц возникают при наличии достаточного количества энергии и превращаются в чистую энергию при обратном процессе аннигиляции.
Например, если весомый электрон встретится с весомым позитроном, то они превратятся в невесомую энергию двух фотонов, суммарная масса которых будет равна удвоенной массе покоя электрона. Если нам как-то удастся «ударить этой удвоенной массой по вакууму», то он вытолкнет из себя пару элементарных частиц (электрон и позитрон) с почти нулевой скоростью. Новорожденные в непосредственной близости электрон и позитрон притягиваются друг к другу электростатическими силами и превращаются в невесомую энергию. Круг замыкается.
Если же весомый протон встретится с весомым антипротоном, то они превратятся в невесомую энергию двух фотонов, суммарная масса которых будет равна удвоенной массе покоя протона. Если нам как-то удастся «ударить такой удвоенной массой фотонов по вакууму», то он вытолкнет из себя пару элементарных частиц (протон и антипротон) с почти нулевой скоростью. Новорожденные в непосредственной близости протон и антипротон притягиваются друг к другу электростатическими силами и превращаются в невесомую энергию. То же самое произойдет и с другими парами частиц и античастиц. Это значит, что досветовые скорости вещества устойчивы. Иными словами, не так-то легко «утопить» вещество в бушующем океане отрицательной энергии вакуумного пространства.
Существование процессов синтеза и аннигиляции частиц было предсказано теорией Дирака до того, как они были открыты в природе, и с тех пор наблюдались в лаборатории миллионы раз. А теоретической основой для открытий послужил дираковский физический вакуум.
Физика высоких энергий
Возможность возникновения материальных частиц из чистой энергии является прекрасным подтверждением правильности теории относительности. До использования теории относительности при рассмотрении частиц ученые, по сути, решали для себя один вопрос: возможно ли бесконечно делить материю на все более мелкие единицы, или все же существуют мельчайшие неделимые частицы?
Способности человека поражают. Изощренный человеческий ум позволил ученым разделить даже субатомные частицы, столкнув их друг с другом с огромной энергией. Высокоэнергетические столкновения субатомных частиц – основной метод, который используют физики для изучения их свойств, и по этой причине физика частиц носит также название физики высоких энергий. Кинетическая энергия обеспечивается в огромных (достигающих в окружности нескольких миль) ускорителях частиц, в которых частицы разгоняются до скорости, близкой к скорости света, а затем они сталкиваются с другими частицами.
Процесс подготовки. Например, целью эксперимента являются наблюдение и измерение интересующей физиков частицы. Необходимо предварительно подготовить исследуемую частицу: либо изолировать ее, либо создать специально в процессе подготовки эксперимента. Затем разогнать ее в ускорителе частиц до скорости, близкой к скорости света. Когда необходимое количество энергии приобретено, частица покидает ускоритель и перемещается в район мишени, где сталкивается с другими частицами. Рассмотренный этап эксперимента называется подготовкой. Свойства частицы нельзя определить независимо от самого процесса подготовки. Если в подготовку вносятся изменения, свойства частицы тоже изменяются.
Столкновения происходят в пузырьковой камере, которая представляет собой прибор для регистрации следов (треков) заряженных частиц высоких энергий. Большинство частиц, возникающих при столкновениях, очень недолговечны и существуют гораздо меньше одной миллионной доли секунды, после чего они снова распадаются на протоны, нейтроны и электроны. Но, несмотря на крайне непродолжительный срок существования, ученые сумели не только обнаружить эти частицы и измерить их характеристики, но и сфотографировать их следы.
Пузырьковая камера изобретена в 1952 году американским ученым Д. Глейзером, ставшим в 1954 году лауреатом Нобелевской премии по физике. Ее действие основано на вскипании перегретой жидкости вблизи траектории частицы. Прохождение заряженной частицы через перегретую жидкость приводит к образованию вдоль следа частицы «зародышевых» центров кипения. За время порядка 0,5–3 мс образующиеся на зародышах пузырьки достигают размеров 50—300 мкм и могут быть сфотографированы при освещении их импульсным источником света (4). Сами частицы на несколько порядков меньше пузырьков, составляющих следы частиц, но по толщине и искривленности трека физики могут определить, какая частица его оставила. В точках, из которых исходит несколько треков, происходят столкновения частиц; искривления возникают из-за использования исследователями магнитных полей.
В последнее время с целью увеличения энергии столкновения широко применяют встречные пучки, формируемые ускорителями и так называемыми накопительными кольцами: протон-протонные, протон-антипротонные, электрон-электронные, электрон-позитронные. Эти пучки пересекаются, и частицы разных пучков вступают во взаимодействие. В результате они рассеиваются: изменяется состояние их движения, или рождаются новые частицы. С помощью детекторов рассеянные частицы регистрируются и измеряются их характеристики (12).
