книги из ГПНТБ / Мякишев Г.Я. Элементарные частицы
.pdf
МИ Р З Н А Н И Й
Г. Я. МЯКИШЕВ
Элементарные
частицы
И З Д А Н И Е В Т О Р О Е , П Е Р Е Р А Б О Т А Н Н О Е
М О С К В А |
„ П Р О С В Е Щ Е Н И Е " |
197 3 |
530.3 М 99
Мякишев Г. Я.
М99 Элементарные частицы. Изд. 2-е, переработ. М., «Просвещение», 1973.
143 с. с ил. (Мир знаний).
В книге в популярной ф о р м е рассказывается о развитии н совре менном состоянии физики элементарных частиц. Она предназначается
для |
|
учащихся старших |
классов |
средней |
школы и |
учителей физики . |
|
Во |
второе и з д а н и е внесены |
небольшие |
исправления |
и дополнения . |
|||
|
|
0763—287 |
|
|
|
|
5303 |
|
М |
М103(03)-73 |
2 4 |
8 ~ 7 |
3 |
|
|
© Издательство «Просвещение», 1973 г.
Цель этой книги не только в сообще нии начальных представлений о мире эле ментарных частиц, но и в том, чтобы дать возможность почувствовать ту напряжен ную, полную неожиданных открытий и смелых гипотез атмосферу, в которой жи вут физики, изучающие элементарные частицы.
Главный факт в физике элементарных частиц — это способность их к превраще ниям друг в друга. Рассказ о ядерных, электромагнитных и слабых взаимодейст виях, вызывающих эти превращения, за нимает одно из центральных мест в книге.
С элементарными частицами может происходить и происходит в действитель ности все, что не запрещается законами сохранения. Поэтому рассказ о законах сохранения — второе центральное место книги.
Понять происходящие в микромире яв ления можно только на основе великих теорий XX в.: теории относительности и квантовой механики. Основам этих теорий также уделено должное внимание.
Прочтя эту книгу, нельзя получить со вершенно ясного представления о том, что же такое элементарная частица. Этого пока не знает никто. Но в ней можно най ти сведения о свойствах частиц, которые принято называть элементарными, о сов
ременной классификации |
частиц, достиг |
|||||
шей |
в настоящее время |
столь |
высокого |
|||
научного уровня, что она позволила |
пред |
|||||
сказать ряд |
новых частиц |
до |
того, |
как |
||
они |
были |
обнаружены |
эксперимен |
|||
тально.
Наконец, в книге рассказывается о тех трудностях, с которыми встретились уче ные при попытке построения теории эле ментарных частиц, о задачах, вставших перед ними.
ГЛАВА |
ПЕРВАЯ, |
вводная, |
но очень важная и, быть может, |
самая |
трудная |
В ней ничего уже нет от коровы — одна белизна лишь.
ОВИДИИ
« М Е Т А М О Р Ф О З Ы»
Превращения, превращения, превращения. Каждую весну в мире происходит обыкновенное чудо: голые ветки внезапно оживают. Пройдет несколько дней, и на них за зеленеют клейкие весенние листочки.
Немного больше времени занимает превращение не поворотливой толстой гусеницы в изящную бабочку. За несколько лет маленький мальчик становится солидным мужчиной.
Сухая палка в костре исчезает в несколько минут, ос тавив кучу золы, а аккуратные чистые тетради за не сколько дней или недель становятся потрепанными фо-
5,
мы имеем новое сочленение старых частей. Даже сказоч ные превращения, собственно, не противоречат каким-ли бо фундаментальным законам природы. Из атомов, сла гающих братца Иванушку, в принципе вполне можно по строить козленочка, да еще останутся лишние. Ни один фундаментальный закон природы при этом не будет за тронут. Ведь сумела же сама природа из воды, газов и горных пород в конце концов создать живые существа и человека.
И настоящие превращения... Так, может быть, и вооб ще не бывает настоящих превращений, когда происходит изменение самих «кубиков» мироздания, а не просто пе ретасовка, пусть сложная, существующих образований?
Нет и еще раз нет! Вы чиркнули спичкой— и она вспыхнула. Вот при этом-то и происходит настоящее пре вращение материи. Конечно, оно не в том, что спичка ис чезает на глазах. Атомы углерода соединяются- с молеку лами кислорода воздуха и дают молекулы углекислого газа — новую форму старого материала.
Дело в том, что вы увидели свет! Раньше света не бы ло в спичке ни в какой форме. Свет начал рождаться в момент, когда спичка загорелась. Здесь-то и произошло настоящее превращение: появился новый сорт «кубиков», произошло рождение новых элементарных частиц — фо тонов. Вы стали свидетелями настоящего превращения материи!
Подобные превращения — рождение новых элемен тарных частиц —происходят не только при излучении света. Мир полон превра щений элементарных час тиц и без этих превраще ний не мог. бы существо вать в современном со стоянии. Но почти во всех случаях, кроме излучения света, эти превращения запрятаны в самых глуби нах материи, и непосред ственно их наблюдать нельзя. Итак, уже в нача ле книги вы встретились со словами «превращения элементарных частиц». .
Элементарная частица... А что это такое? Когда Де мокрит назвал простейшие, нерасчленимые далее части цы атомами (слово «атом» означает в переводе недели мый) , то ему, вероятно, казалось, что он знает, что делает. Все представлялось в принципе не очень сложным. Раз ные предметы, растения, животные построены из недели мых, неизменяемых частиц. Превращения, наблюдаемые в мире, — это простая перетасовка атомов. Все в мире течет, все изменяется, кроме самих атомов, бытие которых остается незыблемым.
Эта стройная картина по существу осталась без изме нений и после того, как было открыто сложное строение атомов. В конце XIX в. с несомненностью была выделена составная часть атома — электрон. Затем уже в XX в., были открыты две другие частицы — протон и нейтрон. Поначалу все эти частицы стали рассматриваться точь-в- точь, как Демокрит рассматривал атомы, — неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основны ми кирпичиками мироздания.
Однако ситуация привлекательной ясности длилась недолго. Все оказалось намного сложнее. Неизменных ча стиц нет совсем. И более того, сейчас просто неизвестно, какие частицы заслуживают в действительности названия элементарных. Неизвестен также критерий, по которому можно ту или иную частицу отнести к элементарным.
Можно сказать, что в слове «элементарная» заключе на восхитительная двусмысленность. С одной стороны, элементарный—это само собой разумеющийся, простей ший. «Это элементарно», — любил восклицать мистер Шерлок Холмс, обращаясь к доктору Ватсону. С другой стороны, под элементарным понимается нечто настолько фундаментальное, что оно вообще пока никем не понято. Именно в этом смысле сейчас и называют субатомные частицы элементарными.
Может быть, конечно, вскоре появится новый Шерлок Холмс микромира и для него сущность элементарных ча стиц будет столь же прозрачна, как и происхождение чу довищной собаки Баскервиллей, но пока это время еще не пришло.
Ничто не вечно под Луной. Рассматривать известные сейчас элементарные частицы как неизменные атомы Демокрита прежде всего мешает простой, но убийствен-
8
ный факт. Ни одна из частиц не бессмертна. Большинство частиц сами собой, без какого-либо насилия извне, не мо гут прожить более двух миллионных долей секунды. Сво бодный нейтрон живет 17 мин. Лишь четыре частицы: фотон, нейтрино, электрон и протон — могли бы сохра нять свою неизменность, если бы каждая из них была одна в целом мире. У электронов и протонов имеются опаснейшие собратья — позитроны и антипротоны, при столкновении с которыми происходит взаимное уничто жение частиц. Фотон, испущенный вашей настольной лам пой, живет не более Ю - 8 сек. Это то время, которое ему нужно, чтобы достичь страницы книги и поглотиться бу магой. Лишь нейтрино почти бессмертно из-за своего крайнего безразличия ко всем частицам. Но и нейтрино гибнут при столкновениях с другими частицами, хотя та кие столкновения случаются редко.
Итак, в извечном стремлении к отысканию неизменно го в нашем изменчивом мире ученые оказались на зыбу чем песке вместо гранитного основания. Все элементар ные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения — главный факт их существования.
Есть ли субчастицы внутри элементарных частиц? Но, может быть, все это не так уж сильно отличается от того, что уже было? Может быть, современные элементар ные частицы просто некий промежуточный этап познания строения вещества, до которого удалось добраться че ловеку? Потом удастся добраться до более глубокого уровня и сегодняшние элементарные частицы будут рас сматриваться так же, как сейчас атомы. В конце же кон цов рано или поздно будут найдены некоторые неизмен ные частицы, слагающие материю.
Или природа устроена иначе: материя делима до бес конечности, и люди будут находить все более и более мел кие частицы, никогда не дойдя до конца?
Пока здесь ничего нельзя утверждать наверняка. Ско рее, однако, все это не так. Ближе к тому, что мы знаем сейчас, другая возможность.
Мы уже добрались до фундамента строения материи, но этот фундамент оказался совсем не застывшим1 в веч ной неизменности, а непрерывно меняющим свое лицо, крайне сложным. Фундаментальные частицы неделимы уже далее в том же самом смысле, как атомы, но1 неис черпаемы по своим свойствам.
9