Lev Okun. Khối lượng, năng lượng, thuyết tương đối

(7. VII. 1929-23.XI.2015)- Nhà vật lý lý thuyết Liên Xô và Nga, ac. RAS (1990, thành viên tương ứng 1966). R. ở Sukhinichi, vùng Kaluga. Tốt nghiệp Học viện Vật lý Kỹ thuật Mátxcơva (1953). Từ năm 1954, ông làm việc tại Viện Vật lý Lý thuyết và Thực nghiệm (người đứng đầu phòng thí nghiệm lý thuyết). Từ năm 1967 GS. MEPhI.

Hoạt động trong lĩnh vực lý thuyết về các hạt cơ bản. Cùng với I.Ya . Pomeranchuk dự đoán (1956) sự bằng nhau của tiết diện ở mức năng lượng cao của các hạt có trong một bội số đồng vị nhất định (định lý Okun–Pomeranchuk). Đặt ra thuật ngữ "hadron" (1962). Dự đoán (1957) các tính chất đồng vị của dòng hadron yếu, đề xuất một mô hình tổng hợp của các hadron và dự đoán sự tồn tại của chín meson giả vô hướng.
Cùng với B.L. Ioffe và A.P. Rudicom đã xem xét (1957) hậu quả của việc vi phạm R-, S- và CP bất biến.
Cùng năm đó, cùng với B.M. Pontecorvo đã ước tính sự khác biệt giữa khối lượng của meson K l - và K s -.
Xây dựng (1976) các quy tắc tổng lượng tử-sắc động lực học cho các hạt chứa quark duyên (cùng với A.I. Vainshtein, M.B. Voloshin, V.I. Zakharov, V.A. Novikov và M.A. Shifman).

Vào đầu những năm bảy mươi, trong khuôn khổ lý thuyết bốn fermion, hợp tác với V.N. Gribov, A.D. Dolgov và V.I. Zakharov đã nghiên cứu hành vi của các tương tác yếu ở mức năng lượng tiệm cận cao và tạo ra một lý thuyết đo mới về tương tác điện yếu (được mô tả trong cuốn sách “Lepton và Quark” xuất bản năm 1981 và tái bản năm 1990. ).

Vào những năm 90, một loạt công trình đã đề xuất một sơ đồ đơn giản để tính đến sự hiệu chỉnh bức xạ điện yếu đối với xác suất phân rã Z-boson. Trong khuôn khổ sơ đồ này, các kết quả đo chính xác tại máy gia tốc LEPI và SLC (đồng tác giả M.I. Vysotsky, V.A. Novikov, A.N. Rozanov) đã được phân tích.
Làm việc vào năm 1965 với SB. Pikelner và Ya.B. Zeldovich đã phân tích nồng độ có thể có của các hạt cơ bản còn sót lại (đặc biệt là các quark mang điện tích phân đoạn tự do) trong Vũ trụ của chúng ta. Liên quan đến việc phát hiện vi phạm tính chẵn lẻ CP trong công việc với I.Yu. Kobzarev và I.Ya. Pomeranchuk đã thảo luận về một “thế giới gương” chỉ kết nối với thế giới của chúng ta bằng lực hấp dẫn.

Làm việc vào năm 1974 với I.Yu. Kobzarev và Ya.B. Zeldovich nghiên cứu sự tiến hóa của các miền chân không trong Vũ trụ; làm việc cùng năm với I.Yu. Kobzarev và M.B. Voloshin đã tìm ra cơ chế phân rã của chân không siêu bền (lý thuyết về chân không siêu bền).

Huy chương Matteucci (1988). Giải thưởng Lee Page (Mỹ, 1989). Giải Karpinsky (Đức, 1990). Giải thưởng Humboldt (Đức, 1993). Giải thưởng Bruno Pontecorvo của Viện nghiên cứu hạt nhân chung (1996). Huy chương vàng mang tên L. D. Landau RAS (2002). Giải I.Ya Pomeranchuk của Viện Vật lý Lý thuyết và Thực nghiệm (2008).

Tiểu luận:

1. Okun L. B. αβγ ... Z (Giới thiệu cơ bản về vật lý của các hạt cơ bản). - M.: Khoa học. Tòa soạn chính văn học vật lý và toán học, 1985.- (Thư viện “Lượng tử”. Số 45.).
2. Thuyết tương đối và định lý Pythagore. Lượng tử, số 5, 2008, trang 3-10

Cuốn sách nhỏ này có hai mục đích.

Mục tiêu trước mắt là tìm ra cách đơn giản nhất để giải thích vật lý hạt hiện đại cho phép chúng ta hiểu thế giới xung quanh chúng ta hoạt động như thế nào.

Một mục tiêu xa hơn là tái cơ cấu giáo dục vật lý trong trường học trong khi vẫn nằm trong khuôn khổ toán tiểu học.

Giới thiệu về lý thuyết gauge

“Giới thiệu về lý thuyết máy đo” bao gồm nội dung của năm bài giảng tại Trường Vật lý JINR CERN ở Tabor (Tiệp Khắc, ngày 5-18 tháng 6 năm 1983).

Đề tài bài giảng: đo tính bất biến của tương tác điện từ và tương tác yếu, hạt Higgs và hạt siêu đối xứng. Ngoài các bài giảng, tác phẩm còn có Phụ lục, trong đó bao gồm các bản in trước và đoạn trích của các bài báo chọn lọc của V. Fock, F. London, O. Klein và G. Weyl, trong đó ý tưởng về tính bất biến của gauge đã được giới thiệu và phát triển.

Ký ức về I.Ya. Pomeranchuk

Nhà vật lý lý thuyết xuất sắc Viện sĩ I.Ya. Pomeranchuk (1913-1966) đã có những đóng góp cơ bản cho sự phát triển của vật lý nhiệt độ thấp, vật lý chất rắn, lò phản ứng và máy gia tốc hạt nhân, và đặc biệt là vật lý hạt. “Hồi ký” kể về những năm ông học ở Leningrad và Kharkov (học cao học với L.D. Landau), làm việc tại FIAN, IAE, JINR và ITEP, giảng dạy tại MEPhI. Tác giả của các bài báo là các nhà khoa học hàng đầu của Liên Xô và nước ngoài.

Cuốn sách cũng bao gồm các đánh giá khoa học về các tác phẩm của I.Ya. Pomeranchuk về lý thuyết hạt cơ bản và lý thuyết trường lượng tử, vật lý chất rắn và chất lỏng lượng tử, lý thuyết về lò phản ứng hạt nhân và bức xạ synchrotron. Những đánh giá này theo dõi sự phát triển của các ý tưởng khoa học do I.Ya thể hiện. Pomeranchuk.

Ký ức của Viện sĩ A.B. Migdala

Bộ sưu tập gồm có hồi ký của khoảng năm mươi tác giả - bạn bè và học trò của nhà vật lý, viện sĩ lỗi lạc A.B. Migdalas, kéo dài khoảng thời gian 40 năm từ đầu những năm 1950 đến 1991.

Mỗi người trong số họ, ở một mức độ nào đó, đều mang dấu ấn của cả nhân cách tác giả và đặc điểm ký ức của ông. Không có gì đáng ngạc nhiên khi đôi khi những sự kiện giống nhau trông hơi khác nhau trong các bài viết khác nhau. Văn bản của tác giả chỉ được chỉnh sửa trong trường hợp có sai sót thực tế rõ ràng. Những sai lệch nhỏ so với “sự thật” đôi khi thậm chí còn giúp nhìn một con người phi thường như Migdal từ những góc độ khác nhau và giúp tái tạo lại một bức tranh đa chiều về môi trường nơi anh ta sống và do chính anh ta định hình phần lớn.

Lepton và quark

Cuốn sách giới thiệu về lý thuyết tương tác yếu của các hạt cơ bản.

Bài trình bày dựa trên mô hình quark-gluon của hadron. Cuốn sách bao gồm các tính toán chi tiết về sự phân rã yếu của các hạt cơ bản (bao gồm sự phân rã của các hạt duyên dáng và lepton nặng được phát hiện gần đây) và các phản ứng do neutrino gây ra. Các ý tưởng và phương trình cơ bản của mô hình thống nhất về tương tác yếu và tương tác điện từ được trình bày. Dựa trên mô hình này, triển vọng tìm kiếm vectơ trung gian và boson vô hướng sẽ được thảo luận.

Cuốn sách được viết trên cơ sở một khóa giảng của tác giả dành cho sinh viên Viện Vật lý và Công nghệ Mátxcơva.

Các vấn đề của vật lý hạt nhân và vật lý hạt cơ bản

Bộ sưu tập bao gồm các bài viết đánh giá dành cho nghiên cứu trong lĩnh vực vật lý hạt, vật lý hạt nhân và vật lý lò phản ứng.

Các vấn đề về tạo ra máy gia tốc dòng điện cao và sử dụng máy gia tốc hiện đại cho mục đích y sinh và nghiên cứu hóa học cũng được xem xét.

Tương tác yếu của các hạt cơ bản

Vào những năm 1950-1960, vật lý hạt trải qua sự phát triển nhanh chóng.

Những khám phá đặc biệt quan trọng được thực hiện trong lĩnh vực tương tác yếu của các hạt cơ bản, trong đó một hiện tượng cơ bản mới được phát hiện, gọi là sự không bảo toàn chẵn lẻ. Chuyên khảo của L.B. Okun là sự trình bày có hệ thống về lý thuyết phân rã của các hạt cơ bản gây ra bởi tương tác yếu.

Nó được viết dựa trên các bài giảng của tác giả tại Viện Vật lý Lý thuyết và Thực nghiệm của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô và tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân.

Các cột mốc tiểu sử

Giáo sư tại MIPT. Thành viên ban biên tập các tạp chí “Uspekhi Fizicheskikh Nauk”, “Vật lý hạt nhân”, thành viên ban biên tập các ấn phẩm thông tin. Thành viên của Academia Europaea.

Tác giả của các chuyên khảo nổi tiếng “Tương tác yếu của các hạt cơ bản” và “Lepton và Quark”, từ đó nhiều thế hệ nhà nghiên cứu trẻ đã nghiên cứu vật lý. Các học trò của ông đã có những đóng góp đáng kể cho sự phát triển nhanh chóng của vật lý hạt và lý thuyết trường lượng tử. Ông là nhà khoa học Liên Xô đầu tiên được bầu vào Ủy ban Chính sách Khoa học CERN, cơ quan cố vấn cao nhất của phòng thí nghiệm vật lý hạt lớn nhất này.

Vào tháng 7 năm 2013, để phản đối kế hoạch cải tổ Viện Hàn lâm Khoa học Nga (RAN) của chính phủ, được thể hiện trong dự thảo Luật Liên bang “Về Viện Hàn lâm Khoa học Nga, việc tổ chức lại các viện khoa học nhà nước và sửa đổi một số đạo luật lập pháp của Chính phủ Nga”. Liên đoàn” 305828-6, đã thông báo từ chối tham gia “RAN” mới được thành lập theo luật đề xuất (xem Câu lạc bộ ngày 1 tháng 7).

Hoạt động khoa học

Các công trình chính trong lĩnh vực lý thuyết hạt cơ bản.

Trong lĩnh vực tương tác mạnh, năm 1956, định lý Okun-Pomeranchuk về sự bằng nhau của tiết diện đối với sự tương tác của các hạt từ một đẳng bội ở mức năng lượng cao tiệm cận đã được chứng minh. Đặt ra thuật ngữ "hadron" (1962). Dự đoán (1957) các tính chất đồng vị của dòng hadron yếu, đề xuất một mô hình tổng hợp của các hadron và dự đoán sự tồn tại của chín meson giả vô hướng. Cùng với B. L. Ioffe và A. P. Rudik, ông đã xem xét (1957) hậu quả của việc vi phạm tính bất biến P-, C- và CP. Ông giải thích tính đặc hiệu của sự phân rã của meson K trung tính bằng sự bảo toàn CP và nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tìm kiếm sự vi phạm CP trong những phân rã này. Cùng năm đó, cùng với B. M. Pontecorvo, ông đã ước tính sự khác biệt về khối lượng của meson Kl và Ks.

Việc phân tích nồng độ còn sót lại của các hạt cơ bản còn sót lại là một đóng góp khoa học cho câu hỏi giải quyết sâu hơn bài toán về nguồn gốc của vật chất tối trong Vũ trụ. Các bức tường miền chân không được nghiên cứu sau đó là những vật thể vĩ mô đầu tiên trong tài liệu về lý thuyết trường lượng tử; lần đầu tiên khám phá chủ đề về sự phân rã của chân không giả. Xây dựng (1976) các quy tắc tổng lượng tử-sắc động lực học cho các hạt chứa quark duyên (cùng với A.I. Vainshtein, M.B. Voloshin, V.I. Zakharov, V.A. Novikov và M.A. Shifman).

Vào đầu những năm 1970, trong khuôn khổ lý thuyết bốn fermion, hợp tác với V.N. Gribov, A.D. Dolgov và V.I. Zakharov, ông đã nghiên cứu hành trạng của các tương tác yếu ở các năng lượng tiệm cận cao và tạo ra một lý thuyết chuẩn mới về tương tác điện yếu. Vào những năm 1990, một loạt công trình đã đề xuất một sơ đồ đơn giản để tính đến sự hiệu chỉnh bức xạ điện yếu đối với xác suất phân rã Z-boson. Trong khuôn khổ sơ đồ này, các kết quả đo chính xác tại máy gia tốc LEPI và SLC đã được phân tích (đồng tác giả M. I. Vysotsky, V. A. Novikov, A. N. Rozanov).

Các giải thưởng, giải thưởng, danh hiệu vinh dự

• Giải thưởng Bruno Pontecorvo của Viện nghiên cứu hạt nhân chung (1996)
• Huy chương vàng mang tên L. D. Landau của Viện Hàn lâm Khoa học Nga (2002)
• Giải thưởng mang tên I. Ya. Pomeranchuk từ (2008)

Thư mục

• Okun L. B. Tương tác yếu của các hạt cơ bản - M.: Fizmatgiz, 1963, 248 trang.
• Okun L. B. Lepton và quark. - M.: “Khoa học”. Tòa soạn chính của văn học vật lý và toán học, 1981, 304 tr.
• Okun L. B. Lepton và quark. - Tái bản lần thứ 2, có sửa đổi và mở rộng. - M.: “Khoa học”. Tòa soạn chính của văn học vật lý và toán học, 1990, 346 trang, ISBN 5-02-014027-9
• Okun L. B. Alpha beta gamma ... Z. Giới thiệu cơ bản về vật lý hạt. Sê-ri: Thư viện "Lượng tử". Tập. 45. - M.: “Khoa học”. Tòa soạn chính của văn học vật lý và toán học, 1985, 112 tr.
• Okun L. B. Vật lý của các hạt cơ bản. - Tái bản lần thứ 2, có sửa đổi và mở rộng. - M.: “Khoa học”. Tòa soạn chính của văn học vật lý và toán học, 1988, 272 trang, ISBN 5-02-013824-X
• Okun L. B. Về sự chuyển động của vật chất. - M.: “Fizmatlit”, 2012. - 228 tr.,

MỤC LỤC Lời tựa cho lần xuất bản thứ ba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lời nói đầu cho lần xuất bản thứ hai. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lời nói đầu cho lần xuất bản đầu tiên. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bảng cheat: hạt và tương tác. . . . . . . . . . . . . . . . . . Các hạt cơ bản: electron, proton, neutron, photon. . . . . . . Khối lượng, năng lượng, động lượng, động lượng góc trong cơ học Newton Khối lượng, năng lượng và động lượng trong cơ học Einstein. . . . . . . . . . Lực lượng và trường. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hiện tượng lượng tử. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phản ứng nguyên tử và hạt nhân. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tương tác yếu và tương tác mạnh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vật lý năng lượng cao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Máy gia tốc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phản hạt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hadron và quark. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Các hạt mê hoặc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sự giam cầm quark. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gluon. Màu sắc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lepton. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Các thế hệ của lepton và quark. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sự phân rã của lepton và quark. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Các hạt ảo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dòng điện. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C -, P -, T -đối xứng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dòng điện trung tính. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Các boson W- và Z được dự đoán. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Khám phá các boson W - và Z -. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vật lý tại các máy va chạm sau Z. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . "Vật lý im lặng" và sự thống nhất vĩ đại. . . . . . . . . . . . . . . . . . Siêu liên minh? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vũ trụ học và vật lý thiên văn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Một lời khen ngợi cho vật lý năng lượng cao. . . . . . . . . . . . . . . 20 năm sau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thư mục. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chỉ số chủ đề. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 5 8 9 12 15 20 23 27 29 33 34 37 40 43 44 47 52 53 55 61 66 71 78 80 85 93 97 104 106 109 112 122 123 LỜI NÓI ĐẦU CHO PHIÊN BẢN THỨ BA Ấn bản thứ ba ra mắt vào những ngày lớn Vụ phóng Hadron diễn ra tại Máy va chạm tại CERN gần Geneva. Sự kiện này thu hút sự quan tâm rộng rãi và nhận được sự đưa tin sôi nổi của giới truyền thông. Có lẽ cuốn sách này sẽ giúp người đọc hiểu tại sao Máy Va chạm Hadron Lớn được chế tạo và nó sẽ trả lời những câu hỏi nào. Một số lỗi chính tả đã được sửa trong ấn bản này. Tôi vô cùng biết ơn M. N. Andreeva, E. S. Artobolevskaya và E. A. Ilyina vì sự giúp đỡ của họ trong việc chuẩn bị in ấn bản thứ hai và thứ ba. Mátxcơva. Tháng 11 năm 2008 LỜI NÓI ĐẦU CHO PHIÊN BẢN THỨ HAI Nội dung chính của cuốn sách chỉ yêu cầu sửa đổi về mặt “mỹ phẩm”. Những phát triển quan trọng nhất trong hai mươi năm qua về vật lý, vật lý thiên văn và vũ trụ học được tóm tắt trong phần bổ sung “20 năm sau”. Mọi thứ dường như đã được thiết lập trong vật lý 20 năm trước vẫn còn đúng cho đến ngày nay. Một mặt, điều này được giải thích là do nền tảng của vật lý thế kỷ 20 đã được xây dựng vững chắc. Mặt khác, việc cắt giảm tài trợ vào cuối thế kỷ này đã buộc các dự án máy gia tốc quan trọng phải dừng hoạt động và do đó ngăn cản việc thử nghiệm một số giả thuyết cơ bản được thảo luận trong cuốn sách. Trước hết, điều này liên quan đến việc khám phá (hoặc “kết thúc”) các boson Higgs. Vấn đề lớn chưa được giải quyết này đã được truyền lại cho thế hệ các nhà vật lý mới, những người có thể được hưởng lợi từ cuốn sách này. Nếu nhân loại nói chung và các chính trị gia nói riêng vẫn giữ được chút lương tri, thì những thí nghiệm mang tính quyết định trong vật lý sẽ có tiếng nói trong một phần ba đầu thế kỷ mới. Mátxcơva. Tháng 10 năm 2005 Để tưởng nhớ Isaac Ykovlevich Pomeranchuk Lời tựa cho ấn bản đầu tiên Cuốn sách này được dành riêng cho vật lý của các hạt cơ bản, các lực tác dụng giữa chúng. Trước hết xin có đôi lời về tựa đề cuốn sách. Nghiên cứu hiện đại về các lực cơ bản giữa các hạt bắt đầu vào năm 1896 với việc phát hiện ra tính phóng xạ và nghiên cứu tiếp theo về các tia α-, β- và γ. Việc hoàn thành một thời gian dài nghiên cứu là khám phá được chờ đợi từ lâu và gây chấn động vào năm 1983. W - và Z - boson. Do đó tựa đề của cuốn sách là: αβγ. . . Z. Nhưng cuốn sách này không nói về lịch sử vật lý mà nói về hiện trạng và triển vọng của nó. Suy cho cùng, việc phát hiện ra các boson W và Z đồng thời là sự khởi đầu cho một giai đoạn mới đầy hứa hẹn. Vật lý không phải là một bảng chữ cái và sự phát triển của nó không chỉ dừng lại ở chữ Z. Theo một nghĩa nào đó, tên này là αβγ. . . Z chỉ ra rằng cuốn sách này, có thể nói, là một cuốn sách sơ lược, một lời giới thiệu về những kiến ​​thức cơ bản của vật lý cơ bản hiện đại. Cuốn sách này dựa trên những bài giảng khoa học phổ thông mà thỉnh thoảng tôi phải đọc cho những người chưa hiểu rõ về vật lý của các hạt cơ bản, và đôi khi xa với vật lý nói chung. Bài giảng cuối cùng diễn ra vào mùa hè năm 1983, ngay sau khi phát hiện ra boson Z. Suy ngẫm về những câu hỏi được đặt ra trong bài giảng, tôi vạch ra kế hoạch cho cuốn sách này. Tôi đã cố gắng viết cuốn sách theo cách mà một người đã tốt nghiệp hoặc sắp tốt nghiệp trung học và đang tích cực quan tâm đến vật lý có thể hiểu được. Tôi đã hy vọng rằng độc giả tương lai của tôi ít nhiều sẽ thường xuyên xem các số tiếp theo của tạp chí Lượng tử và đã đọc ít nhất một số cuốn sách trong bộ Thư viện Lượng tử. (Lưu ý rằng hình vẽ trên bìa cuốn sách này bao gồm hình ảnh tượng trưng của các tia α-, β- và γ từ bìa cuốn sách đầu tiên mở đầu bộ sách này, cuốn “Nguyên tử và Điện tử” của M. P. Bronstein.) Điều ẩn nấp chờ đợi tôi trên mỗi trang là một mong muốn vô tình thông báo cho người đọc không chỉ về những điều quan trọng nhất mà còn về nhiều chi tiết nhỏ khác nhau mang lại niềm vui cho các chuyên gia và do đó làm phiền những người mới bắt đầu. Tôi sợ rằng trong một số trường hợp, tôi đã không "loại bỏ" văn bản đủ mức và trong những trường hợp khác, tôi đã làm quá mức. Bản thân tôi cũng quan tâm đến việc lựa chọn những thông tin quan trọng nhất, loại bỏ không thương tiếc mọi thứ ít quan trọng hơn. Lúc đầu, tôi muốn giới hạn bản thân ở mức tối thiểu về thuật ngữ và khái niệm. Nhưng khi tôi viết cuốn sách này, tôi thấy rõ rằng nếu không có một số thuật ngữ mà ban đầu tôi hy vọng có thể làm được thì không thể giải thích được bản chất của một số hiện tượng; vì vậy cuốn sách trở nên phức tạp hơn về cuối. Suy cho cùng, một trong những khó khăn chính khi làm quen với một lĩnh vực khoa học mới là sự phong phú của các thuật ngữ mới. Để giúp ích cho người đọc, sau lời nói đầu có một “bảng cheat” - bản tóm tắt các khái niệm cơ bản của vật lý hạt cơ bản. Vật lý hạt thường được gọi là vật lý năng lượng cao. Các quá trình nghiên cứu vật lý năng lượng cao thoạt nhìn rất khác thường; những đặc tính kỳ lạ của chúng khiến trí tưởng tượng phải kinh ngạc. Đồng thời, nếu bạn nghĩ về nó, hóa ra ở một số khía cạnh, các quá trình này khác với một hiện tượng thông thường như đốt gỗ, không phải về mặt chất lượng mà chỉ về mặt định lượng - về lượng năng lượng giải phóng. Vì vậy, tôi bắt đầu cuốn sách với những điều cơ bản và đặc biệt là thảo luận ngắn gọn về những khái niệm dường như rất nổi tiếng như khối lượng, năng lượng và động lượng. Xử lý chúng một cách chính xác sẽ giúp người đọc hiểu được những trang tiếp theo của cuốn sách. Khái niệm then chốt của mọi vật lý cơ bản là khái niệm trường. Tôi bắt đầu cuộc thảo luận của mình bằng những ví dụ nổi tiếng của trường phái và dần dần giới thiệu với người đọc về vô số tính chất đáng kinh ngạc mà các trường lượng tử hóa có. Tôi đã cố gắng giải thích bằng những thuật ngữ đơn giản hơn những gì có thể được giải thích ít nhiều một cách đơn giản. Nhưng tôi phải nhấn mạnh rằng không phải mọi thứ trong vật lý hiện đại đều có thể được giải thích một cách đơn giản và để hiểu được một số vấn đề, người đọc cần phải nghiên cứu sâu hơn về những cuốn sách khác phức tạp hơn. Văn bản sơ bộ của cuốn sách được hoàn thành vào tháng 10 năm 1983. Nó được đọc bởi L. G. Aslamazov, Ya. B. Zeldovich, V. I. Kisin, A. V. Kogan, V. I. Kogan, A. B. Migdal, B. L. Okun và Y. A. Smorodinsky. Họ đã đưa ra những nhận xét rất hữu ích cho phép tôi đơn giản hóa văn bản gốc, lược bỏ một số đoạn tương đối khó và giải thích chi tiết hơn một số đoạn khác. Tôi vô cùng biết ơn họ vì điều này. Tôi biết ơn E. G. Gulyaeva và I. A. Terekhova vì sự hỗ trợ của họ trong việc chuẩn bị bản thảo. Tôi biết ơn Carlo Rubbia đã cho phép sao chép lại trong cuốn sách các bản vẽ sắp đặt trong đó các boson trung gian được phát hiện. Với sự ấm áp và biết ơn đặc biệt, ở đây tôi muốn nói về người thầy của tôi - Viện sĩ Isaac Ykovlevich Pomeranchuk, người đã giới thiệu cho tôi thế giới của các hạt cơ bản và dạy tôi nghề nghiệp. I. Ya. Pomeranchuk sống một cuộc đời ngắn ngủi (1913–1966), nhưng đã làm được một điều phi thường. Công trình của ông đóng một vai trò cơ bản trong một số lĩnh vực vật lý: lý thuyết điện môi và kim loại, lý thuyết chất lỏng lượng tử, lý thuyết máy gia tốc, lý thuyết lò phản ứng hạt nhân, lý thuyết hạt cơ bản. Hình ảnh của ông là hình ảnh một con người cống hiến hết mình cho khoa học một cách cuồng nhiệt và quên mình, một con người làm việc không mệt mỏi, quan tâm sâu sắc đến mọi thứ mới mẻ, phê phán và tự phê bình không thương tiếc, hết lòng vui mừng trước thành công của người khác - hình ảnh này vẫn còn sống động trong ký ức của tất cả những ai biết ông. Tôi dành tặng cuốn sách này để tưởng nhớ Isaac Ykovlevich Pomeranchuk. Mátxcơva. Tháng 9 năm 1984 BẢNG CHEET: CÁC HẠT VÀ TƯƠNG TÁC Nguyên tử bao gồm các electron e, tạo thành vỏ và hạt nhân. Hạt nhân bao gồm proton p và neutron n. Proton và neutron bao gồm hai loại quark, u và d: p = uud, n = ddu. Một neutron tự do trải qua quá trình phân rã beta: n → pe νe, trong đó νe là một phản neutrino electron. Sự phân rã của neutron dựa trên sự phân rã của d-quark: d → ue νe. Lực hút của electron vào hạt nhân là một ví dụ về tương tác điện từ. Lực hút lẫn nhau của các quark là một ví dụ về tương tác mạnh. Phân rã Beta là một ví dụ về tương tác yếu. Ngoài ba tương tác cơ bản này, tương tác cơ bản thứ tư đóng một vai trò quan trọng trong tự nhiên - tương tác hấp dẫn, lực hút tất cả các hạt lại với nhau. Các tương tác cơ bản được mô tả bằng các trường lực tương ứng. Sự kích thích của các trường này là các hạt gọi là boson cơ bản. Trường điện từ tương ứng với photon γ, trường mạnh tương ứng với 8 gluon, trường yếu tương ứng với 3 boson trung gian W +, W −, Z 0 và trường hấp dẫn tương ứng với graviton. Hầu hết các hạt đều có các bản sao - phản hạt có cùng khối lượng nhưng điện tích trái dấu (ví dụ, điện, yếu). Các hạt trùng với phản hạt của chúng, tức là không có bất kỳ điện tích nào, chẳng hạn như photon, được gọi là trung hòa thực sự. Cùng với e và νe, hai cặp hạt tương tự nữa được biết đến: μ, νμ và τ, ντ. Tất cả chúng đều được gọi là lepton. Cùng với quark u và d, còn có hai cặp quark có khối lượng lớn hơn nữa được biết đến: c, s và t, b. Lepton và quark được gọi là fermion cơ bản. Các hạt gồm ba quark được gọi là baryon, và các hạt gồm một quark và một phản quark được gọi là meson. Baryon và meson tạo thành một họ gồm các hạt tương tác mạnh - hadron. CÁC HẠT CHÍNH: ĐIỆN TỬ, PROTON, NEUTRON, PHOTON Vật lý hạt nghiên cứu các hạt nhỏ nhất mà từ đó thế giới xung quanh chúng ta và chính chúng ta được tạo nên. Mục đích của nghiên cứu này là xác định cấu trúc bên trong của các hạt này, nghiên cứu các quá trình mà chúng tham gia và thiết lập các định luật chi phối diễn biến của các quá trình này. Phương pháp thí nghiệm chính (nhưng không phải là duy nhất!) của vật lý hạt là tiến hành các thí nghiệm trong đó các chùm hạt năng lượng cao va chạm với các mục tiêu đứng yên hoặc với nhau. Năng lượng va chạm càng cao thì quá trình tương tác giữa các hạt càng phong phú và chúng ta càng có thể tìm hiểu nhiều về chúng. Đó là lý do tại sao ngày nay vật lý hạt và vật lý năng lượng cao gần như đồng nghĩa với nhau. Nhưng chúng ta sẽ bắt đầu làm quen với các hạt không phải bằng những va chạm năng lượng cao mà bằng những nguyên tử thông thường. Người ta biết rõ rằng vật chất bao gồm các nguyên tử và nguyên tử có kích thước vào khoảng 10−8 cm. Kích thước của các nguyên tử được xác định bởi kích thước vỏ của chúng, bao gồm các electron. Tuy nhiên, gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử tập trung ở hạt nhân của nó. Hạt nhân của nguyên tử hydro nhẹ nhất chứa một proton và lớp vỏ chứa một electron. (Một gam hydro chứa 6 × 1023 nguyên tử. Do đó, khối lượng của proton xấp xỉ 1,7 × 10−24 g. Khối lượng của electron nhỏ hơn khoảng 2000 lần.) Hạt nhân của các nguyên tử nặng hơn không chỉ chứa proton mà còn chứa cả neutron. Một electron được ký hiệu bằng chữ e, một proton bằng chữ p và một neutron bằng chữ n. Trong bất kỳ nguyên tử nào, số lượng proton bằng số lượng electron. Một proton có điện tích dương, một electron có điện tích âm và toàn bộ nguyên tử trung hòa về điện. Các nguyên tử có cùng số proton nhưng khác nhau về số neutron, được gọi là đồng vị của 10 hạt cơ bản nhất định: electron, proton, neutron, photon của một nguyên tố hóa học. Ví dụ, cùng với hydro thông thường, còn có các đồng vị nặng của hydro - deuterium và tritium, hạt nhân của chúng lần lượt chứa một và hai neutron. Các đồng vị này được ký hiệu lần lượt là 1 H, 2 H, 3 H; ở đây chỉ số trên biểu thị tổng số proton và neutron trong hạt nhân. (Lưu ý rằng hạt nhân deuterium được gọi là deuteron, và hạt nhân triti được gọi là triton. Chúng ta sẽ gọi deuteron là D; đôi khi nó được viết là d.) Hydro thông thường 1H là nguyên tố phổ biến nhất trong Vũ trụ. Vị trí thứ hai do đồng vị helium 4 He chiếm giữ, vỏ electron chứa hai electron và lõi chứa hai proton và hai neutron. Kể từ khi phát hiện ra chất phóng xạ, hạt nhân của đồng vị 4 He đã nhận được một cái tên đặc biệt: hạt α. Một đồng vị helium ít phổ biến hơn là 3He, có hai proton và chỉ có một neutron trong hạt nhân. Bán kính của proton và neutron xấp xỉ nhau, khoảng 10−13 cm, khối lượng của các hạt này cũng xấp xỉ nhau: neutron chỉ nặng hơn proton 1/10 1%. Các neutron và proton được xếp khá dày đặc trong hạt nhân nguyên tử, do đó thể tích của hạt nhân xấp xỉ bằng tổng thể tích của các nucleon cấu thành nó. (Thuật ngữ “nucleon” có nghĩa ngang nhau cho cả proton và neutron và được sử dụng trong trường hợp sự khác biệt giữa các hạt này là không đáng kể. Từ “nucleon” xuất phát từ tiếng Latin hạt nhân - hạt nhân.) Về kích thước của electron, nó vẫn chưa thể đo lường được. Người ta chỉ biết rằng bán kính của electron chắc chắn nhỏ hơn 10−16 cm, do đó, electron thường được gọi là hạt điểm. Đôi khi các electron trong nguyên tử được so sánh với các hành tinh của hệ mặt trời. Sự so sánh này rất không chính xác ở một số khía cạnh. Trước hết, chuyển động của electron khác về mặt chất với chuyển động của một hành tinh theo nghĩa là các yếu tố quyết định đối với electron không phải là các định luật cơ học cổ điển, mà là các định luật cơ học lượng tử, mà chúng ta sẽ thảo luận dưới đây. Bây giờ, chúng ta hãy lưu ý rằng do bản chất lượng tử của electron, “trong quá trình chụp ảnh tức thời” của một nguyên tử, electron với xác suất đáng kể có thể “được chụp ảnh” tại bất kỳ thời điểm nào tại bất kỳ điểm nào trong quỹ đạo của nó và thậm chí bên ngoài nó, trong khi vị trí của hành tinh trên quỹ đạo của nó, theo các định luật cơ học cổ điển, được tính toán rõ ràng và có độ chính xác cao. Es- Các hạt cơ bản: electron, proton, neutron, photon 11 Nếu so sánh hành tinh này với một chiếc xe điện chạy trên đường ray thì electron sẽ trông giống như một chiếc taxi. Cần lưu ý ở đây một số khác biệt thuần túy về mặt số lượng làm mất đi sự giống nhau giữa các electron nguyên tử và các hành tinh. Ví dụ, tỷ lệ bán kính quỹ đạo electron của nguyên tử với bán kính của electron lớn hơn nhiều so với tỷ lệ bán kính quỹ đạo Trái đất với bán kính Trái đất. Một electron trong nguyên tử hydro chuyển động với tốc độ cỡ một phần trăm tốc độ ánh sáng ∗) và hoàn thành khoảng 1016 vòng quay trong một giây. Con số này gấp khoảng một triệu lần số vòng quay mà Trái đất thực hiện được quanh Mặt trời trong suốt thời gian tồn tại của nó. Các electron ở lớp vỏ bên trong của các nguyên tử nặng thậm chí còn chuyển động nhanh hơn: tốc độ của chúng đạt tới 2/3 tốc độ ánh sáng. Tốc độ ánh sáng trong chân không thường được ký hiệu bằng chữ c. Hằng số vật lý cơ bản này đã được đo với độ chính xác rất cao: c = 2,997 924 58(1,2) 108 m/s ∗∗). Khoảng: c ≈ 300.000 km/s. Đã nói về tốc độ ánh sáng, việc nói đến các hạt ánh sáng - photon là điều đương nhiên. Photon không phải là thành phần nguyên tử giống như electron và nucleon. Do đó, người ta thường gọi photon không phải là hạt vật chất mà là hạt bức xạ. Nhưng vai trò của photon trong cơ chế của Vũ trụ cũng không kém phần quan trọng so với vai trò của electron và nucleon. Tùy thuộc vào năng lượng của photon, nó xuất hiện dưới nhiều dạng khác nhau: sóng vô tuyến, bức xạ hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, bức xạ tử ngoại, tia X và cuối cùng là γ-lượng tử năng lượng cao. Năng lượng của lượng tử càng cao thì chúng càng xuyên thấu, hay như người ta nói, chúng “cứng”, xuyên qua cả những vật chất khá dày. ∗) Chính xác hơn là tỷ số tốc độ của một electron trong nguyên tử hydro với tốc độ ánh sáng xấp xỉ 1/137. Hãy nhớ con số này. Bạn sẽ gặp anh ấy nhiều lần trên các trang của cuốn sách này. ∗∗) Ở đây và trong suốt các trường hợp tương tự, số trong ngoặc biểu thị sự thiếu chính xác trong thực nghiệm ở các chữ số có nghĩa cuối cùng của số chính. Năm 1983, Đại hội đồng về Trọng lượng và Đo lường đã thông qua một định nghĩa mới về mét: quãng đường ánh sáng đi được trong chân không là 1/299.792.458 s. Do đó, tốc độ ánh sáng được định nghĩa là 299792458 m/s. 12 Khối lượng, năng lượng, động lượng, mômen động lượng trên màn chắn kim loại của cơ học Newton. Trong vật lý hạt, các photon được ký hiệu bằng chữ γ, bất kể năng lượng của chúng là bao nhiêu. Sự khác biệt chính giữa các photon ánh sáng và tất cả các hạt khác là chúng rất dễ được tạo ra và dễ bị phá hủy. Chỉ cần đánh một que diêm để sinh ra hàng tỷ photon, đặt một mảnh giấy đen trên đường đi của ánh sáng khả kiến ​​- và các photon sẽ bị hấp thụ trong đó. Tất nhiên, hiệu suất mà một màn hình cụ thể hấp thụ, biến đổi và phát lại các photon tới trên nó phụ thuộc vào các tính chất cụ thể của màn hình và vào năng lượng của các photon. Bảo vệ bạn khỏi tia X và lượng tử γ cứng không dễ như bảo vệ bạn khỏi ánh sáng khả kiến. Ở những năng lượng rất cao, sự khác biệt giữa photon và các hạt khác có lẽ không lớn hơn sự khác biệt giữa các hạt này. Trong mọi trường hợp, việc tạo ra và hấp thụ các photon năng lượng cao không hề dễ dàng chút nào. Nhưng photon càng có ít năng lượng thì càng “mềm” hơn, càng dễ sinh ra và phá hủy nó. Một trong những đặc điểm đáng chú ý của photon, yếu tố quyết định phần lớn các tính chất đáng kinh ngạc của chúng, là khối lượng của chúng bằng không. Đối với một hạt có khối lượng lớn, người ta đã biết: năng lượng của nó càng thấp thì nó chuyển động càng chậm. Một hạt có khối lượng có thể không chuyển động chút nào nhưng có thể đứng yên. Một photon dù có năng lượng nhỏ đến đâu vẫn chuyển động với tốc độ c. KHỐI LƯỢNG, NĂNG LƯỢNG, ĐỘNG LỰC, ĐỘNG LƯỢNG GÓC TRONG CƠ HỌC NEWTON Chúng ta đã sử dụng các thuật ngữ “năng lượng” và “khối lượng” nhiều lần. Đã đến lúc giải thích ý nghĩa của chúng một cách chi tiết hơn. Đồng thời, chúng ta sẽ nói về xung lượng và động lượng góc là gì. Tất cả các đại lượng vật lý này—khối lượng, năng lượng, động lượng và xung lượng góc (còn gọi là xung lượng góc)—đóng một vai trò cơ bản trong vật lý. Vai trò cơ bản của các đại lượng vật lý này là do thực tế là đối với một hệ hạt cô lập, cho dù tương tác của chúng với nhau phức tạp đến đâu thì tổng năng lượng và động lượng của hệ, tổng động lượng góc và khối lượng của nó đều là những đại lượng được bảo toàn, tức là chúng không thay đổi theo thời gian. Khối lượng, năng lượng, động lượng, xung lượng góc trong cơ học Newton 13 Hãy bắt đầu cuộc thảo luận của chúng ta với cơ học Newton, cơ học mà các bạn đã biết rõ từ sách giáo khoa ở trường. Xét một vật có khối lượng m chuyển động với vận tốc v ∗). Theo cơ học Newton, một vật như vậy có động lượng p = mv và động năng T = mv2 p2 = . 2 2m Ở đây v2 = vx2 + vy2 + vz2, trong đó vx, vy, vz lần lượt là các hình chiếu của vectơ v trên các trục tọa độ x, y, z (Hình 1). Chúng ta có thể định hướng hệ tọa độ trong không gian theo bất kỳ cách nào; giá trị của v2 sẽ không thay đổi. Đồng thời, cả hướng và giá trị của vectơ v và p đều phụ thuộc vào giá trị và hướng tốc độ chuyển động của hệ tọa độ mà bạn mô tả chuyển động của cơ thể, hoặc, như người ta nói, trên hệ thống tham chiếu. Ví dụ, trong hệ quy chiếu gắn liền với Trái Đất, ngôi nhà của bạn đang đứng yên. Trong hệ quy chiếu gắn liền với Mặt trời, nó di chuyển với tốc độ 30 km/s. Khi mô tả chuyển động quay của các vật, một đại lượng gọi là xung lượng góc hay chuyển động góc đóng một vai trò quan trọng. 1. Hình chiếu của vectơ vận tốc v lên các trục tọa độ. Chúng ta hãy xem xét ví dụ trường hợp đơn giản nhất về chuyển động của một hạt - một điểm vật chất - trong một quỹ đạo tròn bán kính r = |r| với tốc độ không đổi v = |v|, trong đó r và v lần lượt là giá trị tuyệt đối của vectơ r và v. Trong trường hợp này, động lượng góc của chuyển động quỹ đạo L, theo định nghĩa, bằng tích vectơ của vectơ bán kính r và động lượng của hạt p: L = r × p. Và mặc dù theo thời gian hướng của cả vectơ r và vectơ p đều thay đổi, vectơ L vẫn không thay đổi. Điều này dễ dàng nhận thấy nếu bạn nhìn vào hình. 2. Theo định nghĩa, tích vectơ a × b của hai vectơ a và b bằng vectơ c, giá trị tuyệt đối của |c| = |a||b| sin θ, trong đó ∗) Ở đây và trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ sử dụng các chữ cái in đậm để biểu thị vectơ, tức là các đại lượng được đặc trưng không chỉ bởi giá trị số mà còn bởi hướng của chúng trong không gian. 14 Khối lượng, năng lượng, động lượng, mômen động lượng trong cơ học Newton θ - góc giữa các vectơ a và b; vectơ c được hướng vuông góc với mặt phẳng chứa các vectơ a và b, sao cho a, b và c tạo thành cái gọi là bộ ba bên phải (theo quy tắc gimlet nổi tiếng (Hình 3)). Trong các thành phần, tích vectơ được viết dưới dạng cx = ay bz − az by, cy = az bx − ax bz, cz = ax by − ay bx. Cơm. 2. Động lượng quỹ đạo L khi một hạt có động lượng p chuyển động theo quỹ đạo tròn bán kính r Vì chúng ta đang nói về tích vectơ nên ở đây chúng ta cũng đề cập đến tích vô hướng của hai vectơ a và b, ký hiệu là ab hoặc a · b. Theo định nghĩa, ab = ax bx + ay by + az bz. Dễ dàng kiểm tra (xem hình. 3) ab = |a| |b| cos θ và tích vô hướng không thay đổi khi quay tùy ý các trục trực giao lẫn nhau (gọi là Descartes) x, y, z. Cơm. 3. Vector c là tích vector của vectơ a và b. 4. Ba vectơ đơn vị Lưu ý rằng ba vectơ đơn vị trực giao với nhau được gọi là vectơ và thường được ký hiệu là nx, ny, nz (Hình 4). Từ định nghĩa của tích vô hướng, rõ ràng ax = anx. Đối với trường hợp được hiển thị trong Hình. 2, để dễ kiểm tra, Lx = Ly = 0, Lz = |r| |p| = hằng số Các hành tinh trong Hệ Mặt trời không chuyển động theo hình tròn mà theo quỹ đạo hình elip, do đó khoảng cách từ hành tinh đến Mặt trời thay đổi định kỳ theo thời gian. Giá trị tuyệt đối của vận tốc cũng thay đổi tuần hoàn theo thời gian. Nhưng động lượng quỹ đạo của hành tinh vẫn không thay đổi. (Như một bài tập, hãy lấy định luật thứ hai của Kepler từ đây, theo đó vectơ bán kính của một hành tinh “quét” những diện tích bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau). Cùng với xung lượng góc quỹ đạo, đặc trưng cho chuyển động quanh Mặt trời, Trái đất, giống như các hành tinh khác, cũng có xung lượng góc riêng, đặc trưng cho chuyển động quay hàng ngày của nó. Sự bảo toàn động lượng góc nội tại là cơ sở để sử dụng con quay hồi chuyển. Động lượng góc nội tại của các hạt cơ bản được gọi là spin (từ tiếng Anh spin - chuyển động quay). KHỐI LƯỢNG, NĂNG LƯỢNG VÀ ĐỘNG LỰC TRONG CƠ HỌC CỦA EINSTEIN Cơ học Newton mô tả một cách hoàn hảo chuyển động của các vật thể khi tốc độ của chúng nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng: v c. Nhưng lý thuyết này hết sức sai lầm khi tốc độ chuyển động của vật v xấp xỉ tốc độ ánh sáng c, và thậm chí còn sai hơn nữa khi v = c. Nếu bạn muốn mô tả chuyển động của các vật thể ở bất kỳ tốc độ nào, cho đến tốc độ ánh sáng, bạn nên chuyển sang thuyết tương đối đặc biệt, cơ học Einstein, hay còn gọi là cơ học tương đối tính. Cơ học phi tương đối tính của Newton chỉ là một trường hợp giới hạn cụ thể (mặc dù thực tế là rất quan trọng) của cơ học tương đối tính của Einstein. Các thuật ngữ “thuyết tương đối” và (giống nhau) “thuyết tương đối” quay trở lại nguyên lý tương đối của Galileo. Trong một cuốn sách của mình, Galileo giải thích một cách rất màu sắc rằng không có thí nghiệm cơ học nào bên trong một con tàu có thể xác định được nó đang đứng yên hay chuyển động đều so với bờ. Tất nhiên, điều này không khó thực hiện nếu bạn nhìn vào bờ. Tuy nhiên, ở trong cabin và không nhìn ra cửa sổ nên không thể phát hiện được chuyển động đều và tuyến tính của con tàu. Về mặt toán học, nguyên lý tương đối của Galileo được thể hiện ở chỗ các phương trình chuyển động của các vật thể - phương trình cơ học - trông giống nhau trong cái gọi là hệ tọa độ quán tính, tức là. nghĩa là, trong các hệ tọa độ liên kết với các vật thể chuyển động đều và thẳng so với các ngôi sao ở rất xa. (Tất nhiên, trong trường hợp con tàu của Galileo, cả chuyển động quay hàng ngày của Trái đất, chuyển động quay quanh Mặt trời hay chuyển động quay của Mặt trời quanh tâm Thiên hà của chúng ta đều không được tính đến.) Công lao quan trọng nhất của Einstein là ở chỗ đó ông đã mở rộng nguyên lý tương đối của Galileo cho mọi hiện tượng vật lý, bao gồm cả hiện tượng điện và quang học, trong đó có sự tham gia của photon. Điều này đòi hỏi những thay đổi đáng kể trong quan điểm về các khái niệm cơ bản như không gian, thời gian, khối lượng, động lượng và năng lượng. Đặc biệt, cùng với khái niệm động năng T, khái niệm năng lượng tổng E được đưa ra: E = E0 + T, trong đó E0 là năng lượng nghỉ liên hệ với khối lượng m của vật theo công thức nổi tiếng E0 = mc2. Đối với một photon có khối lượng bằng 0 thì năng lượng nghỉ E0 cũng bằng 0. Photon “chỉ mơ hòa bình”: nó luôn chuyển động với vận tốc c. Các hạt khác, chẳng hạn như electron và nucleon, có khối lượng khác 0, có năng lượng nghỉ khác 0. Đối với các hạt tự do có m = 0, mối liên hệ giữa năng lượng và vận tốc, động lượng và vận tốc trong cơ học Einstein có dạng mc2 Ev E= , p= 2 . 1 − v 2 /c2 c Vì vậy, hệ thức m2 c4 = E 2 − p2 c2 đúng. Mỗi số hạng trong số hai số hạng ở vế phải của đẳng thức này càng lớn khi vật chuyển động càng nhanh, nhưng hiệu của chúng vẫn không thay đổi, hoặc, như các nhà vật lý thường nói, là bất biến. Khối lượng của một vật là một bất biến tương đối tính; nó không phụ thuộc vào hệ tọa độ trong đó chuyển động của vật được xét. Dễ dàng kiểm tra rằng các biểu thức Einsteinian, tương đối tính cho động lượng và năng lượng biến đổi thành các biểu thức Newtonian, phi tương đối tương ứng khi v/c 1. Thật vậy, trong trường hợp này, khai triển vế phải của hệ thức Khối lượng, năng lượng và động lượng trong Einsteinian cơ học E = mc2 1 − 17 trong một chuỗi đối với tham số nhỏ v 2 /c2 , không khó để v 2 /c2 thu được biểu thức 1 v2 3 v2 2 . E = mc2 1 + + + . . . 2 2 2 c 8 c Ở đây các dấu chấm biểu thị các số hạng có thứ tự cao hơn trong tham số v 2 /c2 . Khi x 1 thì hàm f(x) có thể khai triển thành một chuỗi đối với tham số x nhỏ. Đạo hàm vế trái và vế phải của quan hệ f(x) = f(0) + xf(0) + x2 x3 f(0) + f(0) + . . . 2! 3! và xem xét mỗi lần kết quả của x = 0, thật dễ dàng để kiểm tra tính đúng đắn của nó (đối với x 1 các số hạng bị loại bỏ là nhỏ). Trong trường hợp chúng ta quan tâm, f (x) = (1 − x)−1/2 , 1 (1 − x)−3/2 , 2 3 f (x) = (1 − x)−5/2 , 4 f ( x) = f (0) = 1, 1 2 3 f (0) = . 4 f (0) = , Lưu ý rằng đối với Trái đất chuyển động trên quỹ đạo với tốc độ 30 km/s thì tham số v 2 /c2 là 10−8. Đối với máy bay bay với tốc độ 1000 km/h, thông số này thậm chí còn nhỏ hơn, v 2 /c2 ≈ 10−12. Vì vậy, đối với một chiếc máy bay, với độ chính xác cỡ 10−12, các hệ thức phi tương đối tính T = mv 2/2, p = mv được thỏa mãn, và các hiệu chỉnh tương đối tính có thể được bỏ qua một cách an toàn. Chúng ta hãy quay lại công thức nối bình phương khối lượng với bình phương năng lượng và động lượng, và viết nó dưới dạng E 2 m 2 c2 = − p2x − p2y − p2z. c Việc vế trái của đẳng thức này không thay đổi khi chuyển từ hệ quán tính này sang hệ quán tính khác cũng tương tự như bình phương động lượng p2 = p2x + p2y + p2z, 18 Khối lượng, năng lượng và động lượng trong cơ học Einstein, cũng như bình phương của bất kỳ vectơ ba chiều nào, không thay đổi khi quay hệ tọa độ (xem Hình 1 ở trên) trong không gian Euclide thông thường. Dựa trên sự tương tự này, họ nói rằng giá trị m2 c2 là bình phương của vectơ bốn chiều - động lượng bốn chiều pμ (chỉ số μ nhận bốn giá trị: μ = 0, 1, 2, 3): p0 = E/ c, p1 = px, p2 = py, p3 = pz. Không gian trong đó vectơ pμ = (p0, p) được xác định được gọi là giả Euclide. Tiền tố “giả” trong trường hợp này có nghĩa là bất biến không phải là tổng bình phương của cả bốn thành phần, mà là biểu thức p20 − p21 − p22 − p23. Các phép biến đổi kết nối tọa độ thời gian và không gian của hai hệ quán tính khác nhau được gọi là phép biến đổi Lorentz. Chúng ta sẽ không trình bày chúng ở đây mà chỉ lưu ý rằng nếu có khoảng cách giữa hai sự kiện trong thời gian t và trong không gian r thì chỉ có giá trị s, gọi là khoảng: s = (ct)2 − r2, không thay đổi dưới các phép biến đổi Lorentz, tức là e là bất biến Lorentz. Chúng tôi nhấn mạnh rằng bản thân t và r đều không bất biến. Nếu s > 0 thì khoảng được gọi là khoảng thời gian nếu s< 0, то - пространственноподобным, если s = 0, то - светоподобным. Если s < 0, то два пространственно разделенных события могут быть одновременными в одной системе координат и неодновременными в другой. Рассмотрим теперь систему n свободных, не взаимодействующих между собой частиц. Пусть Ei - энергия i-й частицы, pi - импульс, а mi - ее масса. Суммарная энергия и импульс системы соответственно равны E= n Ei , i=1 p= n i=1 Из определения массы системы, M2 = E2 p2 − , c4 c2 pi . Масса, энергия и импульс в механике Эйнштейна 19 следует, что масса системы, вообще говоря, не равна сумме масс составляющих ее частиц. В нашей нерелятивистской повседневной жизни мы привыкли к тому, что M = n mi . Но для быстрых частиц это равенство, i=1 как правило, не выполняется. Так, суммарная масса двух электронов, летящих навстречу друг другу с равными по абсолютной величине импульсами, равна 2E/c2, где E - энергия каждого из них, и в экспериментах на электронных ускорителях на много порядков превышает величину 2me , где me - масса электрона. Уместно завершить этот раздел некоторыми замечаниями, относящимися к терминологии. В некоторых книгах и научно-популярных статьях можно встретить термины «масса покоя» m0 и «масса движения», или, что то же самое, «релятивистская масса» m, которая растет с ростом скорости тела. Под массой покоя m0 подразумевается при этом та физическая величина, которую мы выше назвали просто массой и обозначили m. Под релятивистской массой m подразумевается энергия тела, деленная на квадрат скорости света: m = E/c2 (разумеется, эта величина растет с ростом скорости тела). Такая устаревшая и по существу неадекватная терминология была распространена в начале XX века, когда по каким-то чисто психологическим причинам казалось желательным сохранить ньютоновское соотношение между импульсом, массой и скоростью: p = mv. В настоящее время, в начале XXI века, эта терминология является архаизмом, который только затемняет смысл релятивистской механики для тех, кто недостаточно овладел ее основами. Следует подчеркнуть, что в релятивистской механике масса m не играет ни роли коэффициента между силой и ускорением (инертная масса), ни роли коэффициента, определяющего действие на тело гравитационного поля (гравитационная масса). Связь между силой F и ускорением dv/dt можно найти из приведенного выше выражения для импульса: p= mv 1 − v 2 /c2 , если учесть, что F = dp/dt. Известная из школьных учебников формула F = ma получается отсюда лишь в нерелятивистском пределе. Что касается гравитационного притяжения, то и здесь 20 Силы и поля масса ни при чем. Так, экспериментально установлено, что обладающий нулевой массой фотон отклоняется в гравитационном поле. Другой пример неудачной терминологии - это часто встречающееся утверждение о том, что в физике высоких энергий и в ядерной физике осуществляются якобы переходы энергии в массу и массы в энергию. Как уже было сказано выше, энергия строго сохраняется. Энергия ни во что не переходит. Происходят лишь взаимные превращения различных частиц. Многочисленные примеры процессов, в которых происходят эти превращения, будут рассмотрены на последующих страницах книги. Суть дела можно понять на примере химической реакции соединения углерода и кислорода, проявление которой можно наблюдать, глядя на тлеющие угли костра: C + O2 → CO2 + фотоны. Кинетическая энергия фотонов и молекул CO2 возникает в этой реакции за счет того, что сумма масс атома C и молекулы O2 несколько превышает массу молекулы CO2 . Таким образом, если у исходных компонентов реакции вся энергия находится в форме энергии покоя, то у конечных продуктов она представляет собой сумму энергии покоя и кинетической энергии. Итак, энергия сохраняется, меняются лишь ее носители, меняется форма, в которой она проявляется. СИЛЫ И ПОЛЯ Энергия и импульс свободно движущегося тела не меняются со временем. Но при взаимодействии двух или большего числа тел импульс (и, вообще говоря, и энергия) каждого из них претерпевает изменение. Для того чтобы произошло такое изменение, совершенно не обязательно, чтобы тела пришли в непосредственное соприкосновение, столкнулись. Они могут действовать друг на друга и на расстоянии. Так, например, Земля и спутник взаимно притягивают друг друга, в результате чего их импульсы все время меняются. Изменения импульсов у них равны и противоположны, так что полный импульс системы не меняется. (Мы замечаем изменение импульса спутника и не замечаем изменения импульса Земли, потому что масса Земли очень велика по сравнению с массой Силы и поля 21 спутника, а изменение скорости тела при данном изменении импульса обратно пропорционально массе.) Примерно так же действуют друг на друга протон и электрон в атоме водорода. Между Землей и спутником действует так называемое гравитационное (ньютоновское) притяжение, между протоном и электроном - электрическое (кулоновское). В обоих случаях сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Тела действуют друг на друга на расстоянии, создавая вокруг себя силовые поля. Другим хорошо известным примером силового поля является магнитное поле, например, магнитное поле Земли, действующее на стрелку компаса. Находясь в силовом поле, частица наряду с энергией покоя E0 и кинетической энергией T обладает еще и потенциальной энергией U. Так что полная энергия в этом случае является суммой не двух, а трех слагаемых: E = E0 + T + U. Потенциальная энергия равна со знаком минус работе, которую надо затратить, чтобы развести два покоящихся взаимодействующих тела на такие большие расстояния, где их воздействие друг на друга становится пренебрежимо малым. Из этого определения следует, что потенциальная энергия в случае притяжения отрицательна. Здесь уместно сделать отступление и сказать о единицах энергии и массы. Единицей энергии в физике частиц служит электрон-вольт (эВ) и его производные 1 кэВ = 103 эВ, 1 МэВ = 106 эВ, 1 ГэВ = 109 эВ, 1 ТэВ = 1012 эВ. Один электрон-вольт равен энергии, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов в один вольт. Если учесть, что 1 Дж = · = 1 Кл · 1 В и что один кулон равен суммарному заряду примерно 6 × × 1018 электронов, то нетрудно получить 1 эВ ≈ 1,6 · 10−19 Дж. Отметим, что вольт, кулон и джоуль являются единицами международной системы единиц СИ (Systèm International d’Unités). Электрон-вольт служит в физике элементарных частиц и единицей массы. Более точно было бы сказать, что единицей массы служит величина 1 эВ/ с2, где c - скорость света: 1 эВ/c2 ≈ 1,8 · 10−33 г. Но физики, имеющие дело с элементарными частицами, как правило, используют c в качестве единицы скорости и предпочитают ве- 22 Силы и поля личину c опускать, поскольку c/c = 1. Зачастую такую систему на физическом жаргоне называют системой c = 1. Так, масса электрона me ≈ 0,511 МэВ, масса протона mp ≈ 938,28 МэВ, масса нейтрона mn ≈ 939,57 МэВ. Вернемся теперь к движению тел в поле центральных сил, обратно пропорциональных квадрату расстояния до центра системы. Используя уравнение нерелятивистской механики, нетрудно убедиться, что при стационарном движении спутника по круговой орбите вокруг Земли или электрона вокруг атомного ядра потенциальная энергия по абсолютной величине в два раза больше кинетической: U = −2T. Действительно, ньютоновская потенциальная энергия U =− GN M m , r здесь r - расстояние от спутника до центра Земли, m - масса спутника, M - масса Земли, а GN - константа Ньютона (в единицах СИ GN = 6,7 · 10−11 м3 · кг−1 · с−2 , но для наших рассуждений числовое значение GN несущественно). Сила гравитационного притяжения спутника Земли F = = GN M m/r2, а его центростремительное ускорение равно v 2 /r. Учитывая, что кинетическая энергия спутника T = mv 2 /2, получаем T = GN M m 2r и, следовательно, T = Рис. 5. Соотношение между кинетической энергией T и потенциальной энергией U спутника, ε - энергия связи 1 |U |. 2 Зависимость U от r и соотношение между U и T приведены на рис. 5. На рисунке изображена также величина ε, называемая энергией связи. По определению энергия связи ε равна ε = − (U + T) . Для ньютоновского потенциала ε = 1 = − U = T. Мы видим, что масса системы «спутник + Земля» 2 меньше, чем сумма масс спутника и Земли на ε/c2. Значение энергии связи тем больше, чем ближе к Земле спутник. Квантовые явления 23 Аналогичным образом масса атома водорода меньше, чем сумма масс электрона и протона, и тоже зависит от того, на каком среднем расстоянии r от ядра движется электрон. Соответствующая разность масс носит название дефекта массы (умноженная на c2 она равна энергии связи электрона). КВАНТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ В случае атома мы говорим о среднем расстоянии между электроном и ядром, а не о радиусе орбиты, потому что, как уже упоминалось выше, в силу законов квантовой механики, электрон в атоме, в отличие от спутника, не имеет определенной орбиты. В отличие от энергии спутника, энергия электрона в атоме, а следовательно, и масса атома могут принимать лишь дискретный (не непрерывный) набор значений. Этого требует квантовая механика, законам которой подчиняется движение мельчайших частиц материи. Важную роль в квантовой механике играет физическая величина S , называемая действием. Размерность действия равна произведению размерностей энергии и времени: [S] = [E] [t] ; здесь скобки означают размерность заключенной в них величины. Поскольку [E] = [m] l2 t−2 , где l - длина, a m - масса, то легко убедиться, что [S] = [m] l2 t−1 . Подобно тому, как в теории относительности фундаментальной константой является скорость света c, так в квантовой механике фундаментальной константой является квант действия h̄ (его называют также постоянной Планка): h̄ = 1,054 588 7 (57) · 10−34 Дж · с. Глядя на это число, нетрудно осознать, что для всех макроскопических процессов значение S колоссально по сравнению с h̄. Именно поэтому макроскопические процессы так хорошо описываются классической механикой и квантовые эффекты в них пренебрежимо малы. 24 Квантовые явления Однако для электронов в атомах действие S - порядка h̄, и квантовые эффекты становятся определяющими. Одним из ярких проявлений квантовой механики является так называемое квантование углового момента. Нетрудно проверить, что угловой момент имеет ту же размерность, что и постоянная Планка. Так вот, согласно квантовой механике, угловой момент орбитального движения частиц может принимать лишь значения, кратные h̄. В нашей обыденной жизни мы не можем заметить этой дискретности углового момента, потому что угловые моменты макроскопических тел выражаются в единицах h̄ поистине астрономическими числами, и точность макроскопических измерений недостаточна, чтобы можно было, скажем, у обычного детского волчка (юлы) обнаружить дискретность углового момента. Но для электронов в атомах величина h̄ является естественной единицей измерения углового момента. Наинизшее орбитальное состояние электрона имеет нулевой угловой орбитальный момент, L = 0, более высоким состояниям соответствуют L = h̄, 2h̄ и т. д. Как ни парадоксально это звучит, но «квантованными величинами» являются не только сам угловой момент lh̄, но и его проекции на оси координат, которые могут принимать лишь целые значения от −lh̄ до +lh̄. Наряду с орбитальным угловым моментом элементарные частицы имеют и определенные значения собственного углового момента - спина. Значения спина кратны h̄/2. Так, у электрона и нуклонов спин равен 1/2 (в единицах h̄), у фотона он равен 1. Частицы с полуцелыми (в единицах h̄) значениями спина называются фермионами, а с целыми - бозонами (в честь итальянского физика Э. Ферми и индийского физика Ш. Бозе). Фермионы - «индивидуалисты», бозоны - «коллективисты»: на данном энергетическом уровне может находиться не более одного фермиона с данной проекцией спина. Именно этим объясняется то, что электроны в атомах не сидят все на самом нижнем энергетическом уровне, а по мере роста заряда ядра заполняют все более далекие от ядра оболочки, формируя таким образом таблицу Менделеева. Бозоны, наоборот, все стремятся попасть в одно и то же состояние. Заметим попутно, что это свойство бозонов служит причиной сверхтекучести гелия (спин атома гелия равен нулю); это же свойство бозонов лежит в основе действия лазера. Квантовые явления 25 Квантование углового момента является лишь одним из многочисленных проявлений квантовой природы микрочастиц. Здесь следует подчеркнуть, что, внеся жесткую дискретность в одни классические величины (дискретные уровни энергии, квантование углового момента), квантовая механика, вместе с тем, потребовала отказа от классической детерминированности целого ряда других величин, которые приобрели в ней вероятностный характер. В частности, вероятностный характер приобрело понятие траектории частицы. Место траектории - величины однозначной в классической механике - заняла сумма по путям. Вероятностный, статистический характер имеют также и такие понятия, как время жизни возбужденного уровня атома и сечение - величина, имеющая размерность площади и характеризующая вероятность того или иного процесса, который может произойти в результате столкновения частиц. В квантовой механике частицы описываются так называемыми волновыми функциями. Вообще, микрочастицы являются своеобразными «кентаврами», соединяющими в себе и свойства корпускул, т. е. частиц, и свойства волн. Проще всего наблюдать эту корпускулярноволновую двойственность (или как говорят, корпускулярно-волновой дуализм) у фотонов. С одной стороны, при столкновении фотона с электроном фотон не в меньшей степени, чем электрон, ведет себя как частица, отскакивая в определенном направлении, с определенной энергией в соответствии с тем, каков импульс отдачи электрона. С другой стороны, фотон с импульсом p ведет себя и как волна с длиной волны λ = h̄/|p|. Волновые свойства фотонов особенно ярко проявляются в таких явлениях, как дифракция и интерференция света. То же самое соотношение между длиной волны и импульсом, λ = h̄/|p|, характеризует не только фотоны, но и все другие частицы: электроны, протоны, нейтроны, а также конгломераты частиц: атомы, молекулы, автомобили. . . Но чем тяжелее тело, тем больше его импульс, тем меньше его длина волны и, следовательно, тем труднее обнаружить его волновые свойства. Ярким выражением корпускулярно-волновой природы частиц является соотношение неопределенности, связывающее между собой неопределенности в координате и импульсе частицы: Δr Δp h̄. 26 Квантовые явления Чем меньше область, в которой движется частица, тем больше неопределенность в ее импульсе. По существу, именно это обстоятельство и приводит к тому, что в каждом атоме существует наинизшее энергетическое состояние с ненулевой кинетической энергией: оно называется основным. Действительно, при заданных размерах атома импульс, а следовательно, и кинетическая энергия электрона не могут быть сколь угодно малыми. Используя соотношение неопределенности, можно оценить порядок величины энергии связи ε электрона, находящегося на основном уровне атома водорода. Запишем выражение для потенциальной U и кинетической T энергии электрона: e2 r U =− , T = p2 . 2me Полагая в соответствии с соотношением неопределенности p ≈ h̄/r и учитывая (см рис. 5), что 2T = |U |, получим h̄2 e2 ≈ , r r me 2 откуда r ≈ h̄2 e me 2 и для энергии связи ε имеем следующую оценку: ε=T ≈ e4 me . 2h̄2 По счастливой случайности наши грубые оценки r и ε совпали с округленными величинами общепринятых значений радиуса атома водорода (так называемого боровского радиуса r0) и энергии связи атома водорода ε0: r0 = h̄2 = 0,529 177 210 8(18) · 10−10 м, e2 me ε0 = e4 me = 13,605 692 3(12) эВ. 2h̄2 Если ввести безразмерную величину α = e2 /h̄c, то получим ε0 = 1 2 α m e c2 , 2 r0 = 1 h̄ . α me c (Отношение h̄/me c = 3,861 592 678(26) · 10−13 м принято называть комптоновской длиной волны электрона). Величина α получила в атомной физике название «постоянной тонкой структуры» и имеет значение α = 1/137,035 999 11(46). Атомные и ядерные реакции 27 Теперь нетрудно оценить и скорость электрона в атоме водорода. Она, как уже было сказано (см. с. 11), действительно составляет примерно 1/137 скорости света. При столкновениях атома с другими атомами или при облучении атома ультрафиолетовым излучением электрон либо может быть выбит из атома (это называется ионизацией атома), либо может перейти на какой-либо из более высокорасположенных уровней (это называется возбуждением атома). Энергия связи n-го возбужденного уровня атома водорода εn выражается через энергию связи основного уровня ε0 следующим образом: εn = ε0 (n + 1)−2 , где n = 1, 2, 3, . . . Дискретные уровни характерны, разумеется, не только для электронов в атоме, но и для атомов в молекулах (здесь расстояния между уровнями существенно меньше, чем в атомах), и для нуклонов в атомных ядрах (здесь расстояния между уровнями гораздо больше, чем в атомах). Итак, каждая молекула, каждый атом, каждое атомное ядро (за исключением самых простейших - протона и дейтрона) имеют, наряду с основным состоянием, набор дискретных возбужденных состояний. Из сказанного выше ясно, что массы молекул, атомов, ядер в возбужденных состояниях превышают их массы в основном состоянии. АТОМНЫЕ И ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ Вы уже знаете, что когда горит костер, атомы углерода и водорода, входящие в состав древесины, соединяются с атомами кислорода из воздуха, и образуются соответственно углекислый газ и вода. Сумма масс молекул, вступающих в реакцию горения, больше, чем сумма масс образовавшихся молекул. В силу сохранения энергии, кинетическая энергия продуктов горения должна быть больше, чем кинетическая энергия молекул, вступающих в реакцию. Этот избыток кинетической энергии мы воспринимаем как выделение тепла при горении. Неправильно было бы говорить, что при этом происходит превращение массы в энергию. Правильнее было бы сказать, что часть массы превращается в кинетическую энергию. И совсем правильно было бы сказать, что энергия переходит из одной формы (энергии покоя) 28 Атомные и ядерные реакции в другую форму (кинетическую энергию). Заметьте, что полная масса системы не меняется. Когда в листьях растений под действием солнечных лучей углекислый газ и вода превращаются в органические соединения и кислород, то масса возрастает. Необходимая для этого энергия поставляется Солнцем - это кинетическая энергия солнечных фотонов. В течение всей предшествующей истории человечества именно Солнце в конечном счете являлось поставщиком энергии, использовавшейся людьми. А что является источником энергии самого Солнца? Таких источников два: во-первых, гравитационное сжатие, во-вторых, препятствующие этому сжатию ядерные реакции, в которых суммарная масса возникших в реакции ядер меньше, чем суммарная масса ядер, вступивших в реакцию. Разность масс (разность энергий покоя) равна избыточной кинетической энергии образовавшихся при этом частиц. Солнце излучает эту энергию в пространство, в основном - в виде фотонов. Когда атомы сталкиваются друг с другом с достаточно высокими скоростями, они возбуждаются; электроны в них переходят на возбужденные уровни и массы атомов возрастают. Атом не может долго находиться в возбужденном состоянии: через некоторое время он испускает фотон и переходит в основное состояние. Фотоны излучаются атомными электронами, переходящими с одной орбиты на другую. Очень важно осознать, что фотон, излучаемый атомом, не хранился в нем до этого, а рождается в момент излучения. Изменение движения электрических зарядов (электронов) вызывает возбуждение электромагнитного поля, квантами, «порциями» которого являются фотоны. Точно так же не хранятся фотоны и в раскаленной нити электрической лампочки. Они рождаются и излучаются «разогретыми» электронами. Энергия E фотона связана с его частотой ω соотношением E = h̄ω. Если учесть, что длина волны света и его частота связаны соотношением λ = ωc, то мы увидим, что квант света определенной длины волны имеет строго определенную энергию. Поле покоящегося электрического заряда - чисто статическое, это - так называемое кулоновское поле. Но поле движущегося заряда содержит возбуждения с ненулевой частотой. При изменении скорости заряда эти возбуждения как бы «стряхиваются» и вылетают в виде свободных фотонов. Слабое и сильное взаимодействия 29 Возбужденные атомы излучают не только видимый свет. Если атом тяжелый и возбуждены в нем внутренние, быстро движущиеся электроны, то при его высвечивании испускаются рентгеновские лучи. Аналогично атомам излучают фотоны и возбужденные ядра. Только фотоны, испускаемые ядрами (ядерные γ -кванты), гораздо энергичнее атомных фотонов. (Если энергия связи электрона в атоме водорода составляет 13,6 эВ, то энергия связи нуклона в ядре в среднем равна примерно 8 МэВ.) При достаточно большой энергии возбуждения ядра могут излучать и другие частицы, а не только фотоны. Разнообразие таких ядерных реакций очень велико. Но все их можно разбить на два больших класса. К одному классу принадлежат такие реакции, когда из ядра вылетают одиночные нуклоны или даже целые сгустки нуклонов - ядерные осколки. Это происходит, например, при α-распаде (напомним, что α-частица - это ядро атома гелия) или при делении урана. К другому классу принадлежат такие реакции, в которых избыточная энергия нестабильного ядра уносится частицами, которых до момента излучения в ядре не было. Простейший пример этого, второго, класса реакций - испускание фотонов. Сейчас мы познакомимся с другим явлением - испусканием ядрами пары частиц: электрона и нейтрино (более точно: электрона и антинейтрино). Это явление было открыто в конце XIX века и было названо β -распадом. СЛАБОЕ И СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Природа частиц, испускаемых при β -распаде, была установлена далеко не сразу. Одна из этих частиц электрически заряжена, вторая - электрически нейтральна. До тех пор, пока не установили, что заряженная частица - это электрон, ее называли β -частицей. (Сам электрон был открыт незадолго до открытия β -распада.) Вообще, после открытия радиоактивности довольно быстро установили, что есть три типа радиоактивного распада: α, β , γ. Мы знаем теперь, что α-лучи - это ядра гелия, β -лучи - это электроны, а γ -лучи - ядерные γ -кванты. В начале 30-х годов стало ясно, что при β -распаде испускается не только электрон, но и еще какая-то частица, не имеющая заряда. Ее назвали нейтрино (по-итальянски это означает «нейтрончик»). 30 Слабое и сильное взаимодействия Простейшим примером β -распада является распад свободного нейтрона (рис. 6), при котором нейтрон превращается в протон, испуская электрон и нейтрино (более точно - антинейтрино ∗), смысл приставки «анти» мы поясним через некоторое время): n → p + e− + ν. Распад нейтрона возможен потому, что масса нейтрона превышает сумму масс протона, электрона и антинейтриРис. 6. β -распад нейтрона но. Как и в случае испускания γ -кванта возбужденным ядром, частицы, возникающие при β -распаде нейтрона, не «сидели в нем» заранее, они рождаются в момент распада, «стряхиваются» с него. Но если при изменении состояния атомного электрона излучается одна частица - фотон, то при превращении нейтрона в протон излучается сразу пара частиц: электрон плюс антинейтрино. С точки зрения энергетики процесс β -распада не отличается от других процессов, которые мы рассматривали выше. И тем не менее, в нем мы имеем дело с фундаментальными силами, с которыми мы до сих пор на страницах этой книги не встречались. Выше мы говорили о гравитационном взаимодействии. Говорили о различных проявлениях электромагнитного взаимодействия, в частности, о притяжении разноименно заряженных частиц и об испускании и поглощении фотонов. Неявно касались мы и так называемого сильного взаимодействия, притягивающего друг к другу нуклоны в ядре. Сильным это взаимодействие назвали потому, что ядерные силы гораздо интенсивнее электромагнитных, о чем свидетельствует большая энергия связи нуклонов в ядре. В β -распаде мы сталкиваемся с проявлением четвертого типа фундаментальных сил - так называемого слабого взаимодействия. Слабым его назвали потому, что в каждодневной жизни его проявления кажутся пренебрежимо слабыми, и потому, что в атомах и ядрах оно действует гораздо слабее, чем сильное и электромагнитное взаимодействия; а обусловленные им процессы имеют меньшие вероятности и, следовательно, протекают медленнее. ∗) Нейтрино обозначают обычно греческой буквой ν (ню). Для обозначения антинейтрино над буквой ν ставят знак тильда: ν. Слабое и сильное взаимодействия 31 Как известно, в магнитном поле γ -лучи вообще не отклоняются, а α- и β -лучи отклоняются в противоположные стороны, как это изображено на рисунке на обложке этой книги. Мне вспоминается одно из долгих вечерних обсуждений судеб физики, которые много лет назад время от времени устраивал со своими учениками и сотрудниками руководитель теоретического отдела Института теоретической и экспериментальной физики академик И. Я. Померанчук. Во время этого обсуждения широко известный специалист по квантовой электродинамике В. Б. Берестецкий заметил, что упомянутый рисунок, вошедший во все школьные учебники, может служить символом трех фундаментальных взаимодействий: ведь α-распад - это проявление сильного взаимодействия, β -распад - слабого, а γ -распад - электромагнитного. В первые десятилетия прошлого века физика каждого из этих взаимодействий оформилась в отдельную науку. В настоящее время происходит синтез этих наук, об этом речь пойдет в конце книги. А пока продолжим разговор о β -распаде. На первый взгляд может показаться, что мир вообще и человечество в частности вполне могли бы обойтись без слабого взаимодействия. Ведь β -распад - это довольно экзотическое явление. Но такое заключение о несущественности слабого взаимодействия было бы глубоко ошибочным. Достаточно сказать, что если бы удалось «выключить» слабое взаимодействие, то погасло бы наше Солнце. Дело в том, что узловым процессом, открывающим путь к дальнейшим ядерным реакциям на Солнце, является процесс, в котором два протона и электрон превращаются в дейтрон D и нейтрино νe . Заметим, что одноступенчатое превращение (рис. 7) p + p + e− → D + ν происходит лишь в 0,25 % всех случаев В 99,75 % случаев реакция идет в две ступени. На первом этапе рождается позитрон e+ в реакции (рис. 8) p + p → D + ν + e+. На втором этапе происходит реакция аннигиляции в фотоны позитрона и одного из солнечных электронов e+ + e− → 2γ или 3γ. 32 Слабое и сильное взаимодействия Рис. 7. Слабая реакция p + p + e− → D + ν Рис. 8. Слабая реакция p + p → D + ν + e+ Более подробно о позитронах и аннигиляции будет сказано ниже (см. раздел «Античастицы»). Напомним, что дейтрон D - это ядро дейтерия, тяжелого изотопа водорода, представляющее собой связанное состояние протона и нейтрона. На рис. 7 и 8 волнистые линии условно изображают сильное ядерное взаимодействие, связывающее протон и нейтрон в дейтроне. Энергия связи дейтрона составляет примерно 2,2 МэВ. Если учесть, что масса нейтрона на 1,3 МэВ больше массы протона, масса позитрона составляет 0,5 МэВ, а масса нейтрино пренебрежимо мала, то нетрудно оценить энерговыделение в процессе, изображенном на рис. 8. Оно составляет всего 0,4 МэВ. Описанный выше слабый процесс, который в некотором смысле можно считать процессом, обратным β -распаду нейтрона, является основным поставщиком солнечных нейтрино. Однако мы только что убедились, что кинетическая энергия, выделенная в этом процессе, сравнительно невелика. Основное выделение тепла происходит за счет дальнейшего превращения двух ядер дейтерия в ядро гелия, содержащее два протона и два нейтрона. В основном это превращение происходит за счет двух реакций: D + p → 3 He + γ + 5,5 МэВ, 3 He + 3 He → 4 He + 2p + 12,9 МэВ. В первой из них работает как сильное, так и электромагнитное взаимодействие (в ней испускается γ -квант), во второй - только сильное взаимодействие. Большее энерговыделение во второй реакции связано с тем, что нуклоны в α-частице плотно упакованы и обладают большей энергией связи. Подобные реакции слияния ядер называются термоядерными, поскольку они идут только при высокой температуре. Высокая Физика высоких энергий 33 температура необходима для того, чтобы ядра могли вплотную подойти друг к другу. Ведь, как известно, одноименные электрические заряды отталкиваются. Чтобы ядра могли преодолеть это электрическое отталкивание и сблизиться на расстояние порядка 10−13 см, им надо сообщить достаточно большую кинетическую энергию. Основная надежда человечества и основная угроза самому его существованию связаны с термоядерными реакциями. Если бы удалось осуществить управляемые термоядерные реакции в промышленных условиях, то это дало бы доступ к огромным запасам энергии и навсегда (в современных масштабах) избавило бы человечество от угрозы энергетического кризиса. С другой стороны, если взорвутся те огромные запасы водородных бомб, которые накоплены и продолжают накапливаться в ядерных арсеналах все большего числа стран, то человечество будет уничтожено. ФИЗИКА ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ До сих пор мы были только на подступах к основной теме этой книги. Предмет нашего изучения - физика частиц высоких энергий - не имеет никакого отношения ни к атомным электростанциям, ни к атомным бомбам. Цель физики высоких энергий - выяснение природы фундаментальных сил и структуры элементарных частиц. Такое подробное введение нам понадобилось потому, что «нельзя получить высшего образования, не имея до этого низшего». Кроме того, в процессах при высоких энергиях имеется много общего с процессами при низких энергиях. (Энергии термоядерных реакций, если сравнить их с тем, что сегодня называют высокими энергиями, столь же низки, сколь низка энергия видимого света по сравнению с энергией ядерных γ -квантов.) В частности, все реакции при высоких энергиях, сколько бы частиц в них ни рождалось, подчиняются закону сохранения энергии. Поэтому, чтобы родить новую тяжелую частицу, необходимо осуществить столкновение достаточно энергичных исходных частиц. Именно поэтому на предыдущих страницах мы затратили так много времени на рассмотрение процессов, при которых более легкие частицы превращаются в более тяжелые и наоборот. В этом отношении в процессах, происходящих при высоких энергиях, ничего принципиально нового нет. Но в целом ряде других отношений физика высоких энергий 2 Л. Б. Окунь 34 Ускорители поразительна: она открыла нам целый мир фундаментальных, глубинных и вместе с тем удивительных явлений и закономерностей. Первый этап развития физики высоких энергий, начало 30-х - конец 40-х годов прошлого века, был связан с изучением космических лучей. Первичные космические лучи - это поток быстрых протонов, падающих на Землю из космического пространства. Сталкиваясь с ядрами атомов атмосферы, первичные протоны рождают многочисленные вторичные частицы. При изучении этих вторичных частиц удалось обнаружить, что среди них, наряду с обычными частицами - фотонами, электронами, нуклонами, рождаются и другие, совершенно новые частицы. Для выяснения природы этих частиц с конца 40-х годов начали строить все более мощные ускорители заряженных частиц. УСКОРИТЕЛИ В зависимости от типа ускоряемых частиц, различают электронные и протонные ускорители, а также ускорители тяжелых ионов. Кроме того, ускорители бывают кольцевые и линейные. Кольцевых ускорителей в настоящее время намного больше, чем линейных. Один из самых больших кольцевых протонных ускорителей находится в Европейской организации ядерных исследований, вблизи Женевы, другой - в Фермиевской национальной лаборатории в Батавии, вблизи Чикаго. Максимальная энергия протонов в этих ускорителях составляет 400 и 1000 ГэВ соответственно. Ускорители эти расположены в кольцевых тоннелях длиной около семи километров. До пуска в начале 70-х годов большого ускорителя вблизи Женевы рекордной энергией (76 ГэВ) обладал протонный ускоритель в Институте физики высоких энергий в Протвино, вблизи Серпухова, работающий с 1968 г. Длина кольцевого тоннеля этого ускорителя - около полутора километров. В тоннеле кольцевого ускорителя, вдоль всего кольца, стоят электромагниты, которые, отклоняя частицы, заставляют их двигаться по кольцу внутри трубы, из которой откачан воздух. Эта кольцевая труба называется вакуумной камерой. Чем сильнее магнитное поле в магнитах, тем более энергичные частицы могут быть удержаны внутри камеры. Ускорители 35 Итак, магниты удерживают частицы на «цирковом треке». Роль ускоряющего бича при этом играет электрическое поле. Несколько ускоряющих промежутков с электрическим полем, ускоряющим частицы, расположено вдоль кольца. В кольцевом ускорителе частица много раз пролетит по кольцу, прежде чем наберет нужную энергию, поэтому электрическое поле здесь может быть не очень сильным. В линейном ускорителе, напротив, ускоряющие электрические потенциалы должны быть предельно высокими, потому что частица должна набрать всю свою энергию за один пролет. Рекордные значения переменных электрических полей были достигнуты в свое время в Институте ядерной физики в новосибирском Академгородке: они приближались к мегаэлектронвольту на сантиметр. Эти поля создавались для будущего линейного электронного ускорителя, в котором темп ускорения составит примерно 100 МэВ/м. Активно обсуждаются также и возможности использования лазеров для создания еще больших темпов ускорения. Но это уже - техника XXI века. Самый большой из действующих линейных ускорителей расположен в Стенфорде, вблизи Сан-Франциско. Его длина несколько превышает 3 км. В нем ускоряются электроны до энергии 20 ГэВ. Примерно такова же предельная энергия и двух самых больших кольцевых электронных ускорителей, один из которых расположен в том же Стенфорде, а другой - вблизи Гамбурга. Длина колец этих ускорителей превышает 2 км. Внимательный читатель, по-видимому, заметил, что эффективность на единицу длины у протонных кольцевых ускорителей больше, чем у электронных. Это связано с тем, что электроны, будучи более легкими, при движении по изогнутой траектории более интенсивно излучают так называемое синхротронное излучение. Чтобы уменьшить потери энергии на синхротронное излучение, приходится уменьшать центростремительное ускорение и, следовательно, увеличивать радиусы электронных ускорителей. После того как частицы разогнались до нужной энергии, пучок частиц выпускают из ускорителя и направляют на мишень, в которой, сталкиваясь с ядрами вещества мишени, частицы пучка рождают новые частицы. Некоторые из этих новых частиц обладают большими временами жизни и вылетают из мишени, другие живут так мало, что распадаются прямо в мишени (многие из них не успевают даже вылететь за пределы того атома, 2* 36 Ускорители на ядре которого они рождены). В последнем случае из мишени вылетают частицы - продукты распада. С помощью специальных магнитов частицы, вылетающие из мишени, формируются во вторичные пучки, которые направляются в экспериментальные залы, где расположены установки, детектирующие эти частицы и их взаимодействия. В последние годы все большее значение приобретают такие кольцевые ускорители, в которых ускоренные частицы сталкиваются не с неподвижной мишенью, а с пучком частиц, ускоренных в противоположном направлении. Преимуществом сталкивающихся пучков является то, что они дают большой выигрыш полезной энергии, которую можно использовать для рождения новых частиц. Рассмотрим два встречных пучка частиц массы m, имеющих энергию E и противоположно направленные импульсы: +p и −p. Полная энергия таких сталкивающихся частиц равна 2E , а их суммарный импульс равен нулю. Система координат, в которой суммарный импульс двух частиц равен нулю, называется системой центра масс. В данном случае система центра масс совпадает с лабораторной системой координат. Энергии 2E отвечает масса M , равная 2E/c2. Вся эта энергия 2E , вообще говоря, может идти на создание новых частиц. Рассмотрим теперь столкновение пучка тех же частиц с неподвижной водородной мишенью (мишенью, содержащей атомы водорода). Пусть энергии каждой из частиц пучка по-прежнему равна E , масса частицы m, а импульс равен p, так что p2 c2 = E 2 − m2 c4 . Обозначим массу протона (в водородной мишени) через μ. Тогда, по определению, масса системы «частица + протон» или, что то же самое, полная энергия в системе центра масс частицы и протона определяется соотношением 2 M 2 c4 = E + μc2 − p2 c2 = 2Eμc2 + μ2 c4 + m2 c4 . Теперь уже система центра масс движется относительно лабораторной системы координат. Если E во много раз больше μc2 и mc2, то получается, что энергия в системе центра масс сталкивающихся частиц в первом случае в 2E/μc2 раз больше, чем во втором. А по существу, только энергия в системе центра масс и является эффективной энергией столкновения и определяет характер этого столкновения. Античастицы 37 Ясно и без всяких формул, что лобовое столкновение двух встречных автомобилей гораздо энергичнее, чем столкновение одного из них со стоящей машиной. Однако в случае релятивистских частиц выигрыш в энергии гораздо больший. Первые ускорители со встречными пучками, их назвали коллайдерами, появились еще в 50-е годы, но наиболее интересные результаты получены на них в течение последних десятилетий. В дальнейшем мы еще познакомимся с некоторыми экспериментами, проведенными на коллайдерах, а пока попытаемся кратко сформулировать то основное, что вообще принесли эксперименты при высоких энергиях. Наиболее яркие достижения физики высоких энергий - это античастицы, адроны и кварки, поколения лептонов и кварков, нарушенные симметрии, фундаментальные векторные бозоны. Разъясним по порядку, что кроется за этими терминами. АНТИЧАСТИЦЫ Первая античастица - позитрон - была теоретически предсказана и экспериментально открыта в начале 30-х годов. Позитрон является античастицей по отношению к электрону. Он имеет точно такую же массу и абсолютную величину заряда, что и электрон, но знак заряда позитрона противоположен знаку заряда электрона: заряд позитрона положителен. Поэтому электрон и позитрон обозначают соответственно e− и e+. В пустоте позитрон так же стабилен, как и электрон. Однако встреча электрона с позитроном кончается плохо для них обоих: они «исчезают» - аннигилируют, излучая при этом фотоны (γ -кванты). При аннигиляции электрона и позитрона испускается, как правило, два или три γ -кванта: e+ + e− → γ + γ , e+ + e− → γ + γ + γ. Ничего мистического в «исчезновении» электрона и позитрона нет. Просто, в отличие от реакций, рассмотренных выше, в реакции аннигиляции энергия покоя электрона и позитрона полностью переходит в энергию движения γ -квантов. В лабораторных условиях, на ускорителях, наблюдается также реакция, обратная реакции аннигиляции электрона и позитрона. При столкновении двух γ -квантов рождается пара «электрон + позитрон»: γ + γ → e+ + e− . 38 Античастицы Вслед за позитроном были открыты и другие античастицы. В частности, в середине 50-х годов на ускорителях были созданы антипротон и антинейтрон, а затем - даже легкие антиядра. Как правило, античастицы обозначаются той же буквой, что и соответствующие частицы, но над буквой ставится тильда. - антинейтрон, ν - антинейтрино. Например, p - антипротон, n Масса каждой античастицы строго равна массе соответствующей частицы, а знаки их зарядов противоположны. Мысленная операция замены «частица → античастица» называется зарядовым сопряжением. При этой операции фотон, который не несет ни электрического, ни какого-либо другого заряда, переходит сам в себя. Фотон принадлежит к сравнительно редкому типу истинно нейтральных частиц, не имеющих зарядовых двойников. Естественно задать вопрос: «Если в фотоны аннигилируют электрон и позитрон, то почему не аннигилируют электрон и протон, почему стабилен атом водорода, почему не идет реакция e− + p → 2γ ?» Легко понять, что если бы такая реакция была возможна, то в мире в конце концов остались бы лишь фотоны и нейтрино (нейтрино - как продукты распада нейтронов). Не правда ли, довольно унылая перспектива? Стабильность водорода наводит на мысль, что наряду с электрическим зарядом существуют и другие сохраняющиеся заряды, или, как говорят, другие сохраняющиеся квантовые числа. Для объяснения стабильности водорода и более тяжелых атомов, а также для объяснения отсутствия ряда других процессов были сформулированы гипотезы о существовании и сохранении так называемых барионного и лептонного зарядов (квантовых чисел). Начнем с барионного заряда. Существует большое семейство частиц, называемых барионами (от греческого «бариос» - тяжелый). Согласно гипотезе, каждый барион обладает единичным положительным барионным зарядом. Протон самый легкий из барионов. Кроме протона и нейтрона известно много десятков других, более тяжелых барионов. У каждого из барионов имеется античастица - соответствующий антибарион, обладающий единичным отрицательным барионным зарядом. Из сказанного выше в частности следует, что хотя нейтрон электрически нейтрален, он не является истинно нейтральной частицей. Семейство частиц, называемых лептонами (от греческого «лептос» - мелкий; более подробно о них будет рассказано на последующих страницах книги), состоит из гораздо меньшего числа частиц, чем семейство барионов. Электрон - самый Античастицы 39 легкий из заряженных лептонов - обладает положительным единичным лептонным зарядом. Тем же лептонным зарядом, что и электрон, обладает, согласно гипотезе о лептонном заряде, и нейтрино. Позитрон и антинейтрино имеют отрицательный единичный лептонный заряд. Легко проверить, что в распаде нейтрона n → p + e− + ν сохраняются как барионный, так и лептонный заряды. К вопросу о том, насколько строгими законами являются законы сохранения барионного и лептонного зарядов, мы еще вернемся в конце этой книги. А сейчас обратимся к вопросу о том, существуют ли античастицы в окружающем нас мире. Из-за реакций аннигиляции сколько-нибудь тесное сосуществование частиц и античастиц невозможно. Поэтому, попав в соприкосновение с «враждебной средой», те немногие античастицы, которые удается произвести в лабораторных условиях, рано или поздно гибнут. Но в областях Вселенной, далеких от нашего обычного вещества, вполне могли бы существовать антимиры, построенные из антиатомов. Энергетические уровни антиатомов и атомов одинаковы, их химические свойства неотличимы. (Очень небольшие отличия между веществом и антивеществом проявляются лишь в слабых взаимодействиях.) Поэтому в принципе могли бы существовать и «антижизнь», и «антилюди», и «антимиры». Фотоны, приходящие к нам от антизвезд, не должны ничем отличаться от фотонов обычных звезд. Так что оптические радионаблюдения не могли бы уловить разницу между звездой и антизвездой. Это можно было бы в принципе сделать при дальнейшем развитии нейтринной астрономии. Ведь обычные звезды, как и наше Солнце, испускают нейтрино, рождающиеся в термоядерных реакциях, а антизвезды должны испускать антинейтрино. В настоящее время астрофизики скептически относятся к возможности существования антимиров. Они исходят при этом из того, что в первичных космических лучах, приходящих к нам из отдаленных областей Вселенной, не найдено заметной примеси антипротонов. Другим аргументом является то, что не наблюдаются те характерные γ -кванты с энергией, равной энергии покоя электрона, которые должны были бы возникать при аннигиляции медленных электронов и позитронов на границе раздела между веществом и антивеществом (e+ e− → 2γ). 40 Адроны и кварки Вопрос о том, почему наш мир состоит из вещества, а не из антивещества или не из равных количеств того и другого, в последние годы привлекает все большее внимание физиков-теоретиков. А тем временем физики-экспериментаторы уже широко используют пучки позитронов и антипротонов в своих экспериментах. В частности, в подавляющем большинстве существующих в настоящее время коллайдеров сталкиваются пучки частиц и соответствующих античастиц - протонов и антипротонов, электронов и позитронов. АДРОНЫ И КВАРКИ Целый пласт новых явлений и понятий был вскрыт при исследовании сильных взаимодействий. Еще в 40-х годах стало ясно, что нуклоны отнюдь не являются единственными частицами, обладающими сильными взаимодействиями; они принадлежат к обширному классу частиц, впоследствии (в начале 60-х годов) названных адронами. По-гречески «хадрос» - массивный, сильный. Кстати, от этого же греческого слова очень давно было образовано русское слово «ядро». С пуском мощных ускорителей новые адроны посыпались, как из рога изобилия, и в настоящее время известно свыше трехсот различных адронов. В середине 60-х годов была выдвинута гипотеза, что все адроны построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. Последующие исследования подтвердили правильность этой гипотезы. Все кварки имеют спин, равный 1/2. В настоящее время установлено существование пяти разновидностей кварков: u, d, s, c, b. (Здесь кварки перечислены в порядке возрастания их масс: mu ≈ 5 МэВ, md ≈ 7 МэВ, ms ≈ 150 МэВ, mc ≈ 1,3 ГэВ, mb ≈ 5 ГэВ.) Ожидают, что должен существовать и шестой, еще более тяжелый кварк, t ∗). Безуспешные поиски адронов, содержащих t-кварки, указывают на то, что mt > 20 GeV. Các quark u, c và t có điện tích +2/3, còn các quark d, s và b có điện tích −1/3. Các quark có điện tích +2/3 thường được gọi là quark lên, và những quark có điện tích −1/3 được gọi là quark xuống. Các tên gọi cho quark xuất phát từ các từ tiếng Anh lên, xuống, lạ, quyến rũ, dưới cùng, trên cùng. ∗) Về việc khám phá ra quark đỉnh, xem phần “20 năm sau”. Hadron và Quark 41 Mô hình quark được đề xuất vào thời điểm mà người ta chỉ biết đến cái gọi là hadron ánh sáng, tức là các hadron chỉ bao gồm các quark nhẹ, u, d và s. Mô hình này ngay lập tức sắp xếp lại trật tự toàn bộ hệ thống của các hadron này. Trên cơ sở của nó, không chỉ cấu trúc của các hạt đã được biết đến vào thời điểm đó đã được hiểu rõ mà còn một số hadron chưa được biết đến vào thời điểm đó cũng được dự đoán. Tất cả các hadron có thể được chia thành hai lớp lớn. Một số, gọi là baryon, được tạo thành từ ba quark. Baryon là fermion, chúng có spin bán nguyên. Những loại khác, gọi là meson, bao gồm một quark và một phản quark. Meson là boson, chúng có toàn bộ spin. (Boson, fermion và baryon đã được thảo luận ở trên.) Nucleon là những baryon nhẹ nhất. Một proton bao gồm hai quark u và một quark d (p = uud), một neutron bao gồm hai quark d và một quark u (n = ddu). Neutron nặng hơn proton vì quark d nặng hơn quark u. Nhưng nói chung, như dễ thấy, khối lượng của nucleon lớn hơn gần hai bậc độ lớn so với tổng khối lượng của ba quark tương ứng. Điều này được giải thích là do các nucleon không bao gồm các quark “trần trụi”, mà là các quark được “bọc” trong một loại “áo gluon” nặng (gluon sẽ được thảo luận trong phần tiếp theo). Baryon bao gồm nhiều hơn các quark u và d được gọi là hyperon. Ví dụ, siêu âm nhẹ nhất, Λ-hyperon, bao gồm ba quark khác nhau: Λ = uds. Meson nhẹ nhất là meson π, hay pion: π +, π −, π 0. Cấu trúc quark của pion tích điện rất đơn giản: π + = ud, π − = d u. Đối với pion trung hòa, nó là sự kết hợp tuyến tính của trạng thái uu và dd: nó dành một phần thời gian ở trạng thái uu, một phần thời gian ở trạng thái dd. Với xác suất bằng nhau, meson π 0 có thể tìm thấy ở mỗi trạng thái sau: 1 π 0 = √ (u u − dd). π+- π − -meson 2 Khối lượng và (các meson này là phản hạt lẫn nhau) xấp xỉ 140 MeV; khối lượng của meson π 0 (meson π 0, giống như một photon, thực sự trung tính) xấp xỉ 135 MeV. Các meson tiếp theo theo thứ tự khối lượng tăng dần là meson K, khối lượng của chúng xấp xỉ 500 MeV. K meson chứa s quark: 0 = sd, K − = s K + = u s, K 0 = d s, K u. 42 Hadron và quark K + - và K − -meson là các phản hạt trong mối quan hệ với nhau. 0 -meson tương tự nhau. Điều tương tự cũng áp dụng cho K 0 - và K không thực sự là những hạt trung hòa. Lưu ý rằng các hạt chứa quark s được gọi là hạt lạ, và bản thân quark s được gọi là quark lạ. Cái tên này xuất hiện vào những năm 50, khi một số tính chất của các hạt lạ có vẻ đáng ngạc nhiên. Hiển nhiên, từ ba quark (u, d, s) và ba phản quark, d, s), chín trạng thái khác nhau có thể được xây dựng: (u u u ud u s d u dd d s su sd s s. Bảy trong số chín trạng thái này (ba cho meson π và bốn đối với meson K) mà chúng ta đã thảo luận, hai hạt còn lại là sự chồng chất - sự kết hợp tuyến tính của các trạng thái u u, dd và s s. Khối lượng của một trong hai hạt - khối lượng của η -meson - bằng 550 MeV, khối lượng của hạt kia - khối lượng của η -meson - bằng 960 MeV, 1 η 0 = √ (u u + dd − 2s s), 6 1 η = √ (u u + dd + s s).3 Giống như Meson π 0, meson η - và η - là những hạt trung hòa thực sự (Chi tiết hơn về sự chồng chất cơ học lượng tử sẽ được thảo luận ở trang 48.) Chín meson mà chúng ta vừa xét có spin bằng 0: J = 0. Mỗi meson này bao gồm một quark và một phản quark, có động lượng quỹ đạo bằng 0: L = 0. Spin của quark và phản quark hướng về nhau, do đó tổng spin của chúng cũng bằng 0: S = 0. Spin meson J là tổng hình học của Động lượng quỹ đạo của các quark L và tổng spin S của chúng: J = L + S. Trong trường hợp này, tổng của hai số 0 đương nhiên sẽ bằng 0. Mỗi meson trong số chín meson được thảo luận đều là loại nhẹ nhất. Ví dụ, hãy xem xét các meson trong đó động lượng quỹ đạo của quark và phản quark vẫn bằng 0, L = 0, nhưng spin của quark và phản quark song song với nhau, do đó S = 1 43 hạt Charmed và do đó J = 1. Như vậy meson hình thành nặng hơn ∗0, ω 0, ϕ0): chín (ρ+, ρ−, ρ0, K ∗+, K ∗0, K ∗−, K ρ+, ρ−, ρ0 770 MeV ∗0 K ∗+ , K ∗ 0 , K ∗− , K 892 MeV ω0 783 MeV ϕ0 1020 MeV Nhiều meson được biết đến với L = 0 và J > 1. Lưu ý rằng vào năm 1983 một meson có spin cao kỷ lục đã được phát hiện tại máy gia tốc Serpukhov: J = 6 Bây giờ chúng ta hãy chuyển sang các baryon được tạo thành từ các quark u-, d- và s. Theo mô hình quark, mô men quỹ đạo của ba quark trong một nucleon bằng 0 và spin của nucleon J bằng 0 với tổng hình học của các spin của các quark. Ví dụ, spin của hai quark u trong proton là song song và các mặt spin của d-quark hướng ngược nhau. Vậy proton có J = 1/2 Theo mô hình quark, proton, neutron, Λ-hyperon và 5 hyperon khác tạo thành một octet (hình 8) của các baryon với J = 1/2; và các baryon với J = 3/2 tạo thành một nhóm nhỏ (mười): ddd udd uud uuu dds uds uus dss uss sss ←→ Δ− Δ0 Δ+ Δ++ Σ− Σ0 Σ+ Ξ− Ξ0 Ω− 1232 MeV 1385 MeV 1530 MeV 1672 MeV. Hyperon Ω−, đỉnh của kim tự tháp ngược này, được tìm thấy bằng thực nghiệm vào năm 1964. Khối lượng của nó hóa ra chính xác như mô hình quark dự đoán. CÁC HẠT CHARMED Nhưng thắng lợi thực sự của mô hình quark là việc khám phá ra các hạt duyên có chứa quark c (từ tiếng Nga “charm” tương ứng với từ charm trong tiếng Anh). Hạt quyến rũ đầu tiên, gọi là meson J/ψ có khối lượng 3,1 GeV, được phát hiện vào năm 1974. (Hạt này đôi khi được cho là có một duyên tiềm ẩn vì nó bao gồm các hạt.) Meson J/ψ đã được mở gần như đồng thời trên hai thí nghiệm với máy gia tốc khác nhau. Tại máy gia tốc proton, meson J/ψ được quan sát thấy là sự giam cầm Quark được quan sát thấy trong số các sản phẩm của sự va chạm của chùm proton với bia berili bởi sự phân rã của nó J/ψ → e+ e−. Tại máy va chạm positron electron, nó được quan sát thấy trong phản ứng e+ e− → J/ψ. Nhóm các nhà vật lý đầu tiên gọi meson này là J, nhóm thứ hai là - ψ, do đó meson J/ψ có tên kép. Meson J/ψ là một trong các cấp của hệ c c, được gọi là “charmonium” (từ tiếng Anh charm). Ở một khía cạnh nào đó, c giống một nguyên tử hydro. Tuy nhiên, cho dù trạng thái của nguyên tử hydro ở trạng thái nào trong hệ thống (bất kể electron của nó ở cấp độ nào), nó vẫn được gọi là nguyên tử hydro. Ngược lại, các mức độ khác nhau của charmonium (và không chỉ charmonium, mà cả các hệ quark khác) được coi là các meson riêng biệt. Hiện nay, khoảng chục meson - cấp độ charmonium - đã được phát hiện và nghiên cứu. Các mức này khác nhau về hướng tương hỗ của spin quark và phản quark, giá trị mômen góc quỹ đạo của chúng và sự khác biệt về tính chất xuyên tâm của hàm sóng của chúng. Tiếp theo charmonium, các meson có sức quyến rũ rõ ràng được phát hiện: D+ = cd, D0 = c u, F + = c s, − 0 − D = d c, D = u c, F = s c, 1869 MeV 1865 MeV 2020 MeV (giá trị gần đúng là được chỉ ra ở đây là khối lượng meson quyến rũ). Baryon quyến rũ cũng được phát hiện. Việc phát hiện ra các hạt quyến rũ, và sau đó là các hadron nặng hơn chứa quark b, và việc nghiên cứu các tính chất của chúng là một sự xác nhận sáng giá cho lý thuyết quark của hadron. Lần đầu tiên, nhờ khối lượng lớn của quark c và b, bức tranh về các cấp của hệ quark-phản quark xuất hiện với tất cả sự phong phú và rõ ràng của nó. Hiệu ứng tâm lý của khám phá này là rất lớn. Ngay cả những người trước đây còn hoài nghi về chúng cũng tin vào quark. SỰ THẤT BẠI CỦA QUARK Nếu tất cả các hadron đều bao gồm các quark thì có vẻ như các quark tự do cũng tồn tại. Việc tìm kiếm các quark tự do sẽ dễ dàng. Rốt cuộc, chúng có điện tích nhỏ. Nhưng không thể trung hòa một phần điện tích với bất kỳ số lượng electron và proton nào: sẽ luôn có “sự phát xạ của các quark dưới mức trong 45 năm” hoặc “vượt mức”. Ví dụ, nếu một giọt dầu chứa một quark thì điện tích của toàn bộ giọt dầu sẽ là một phần nhỏ. Các thí nghiệm với các giọt nước được thực hiện vào đầu thế kỷ này, khi đo điện tích của một electron. Trong quá trình tìm kiếm quark, chúng được lặp lại ở thời đại chúng ta với độ chính xác cao hơn nhiều. Nhưng điện tích phân số không bao giờ được phát hiện. Một phân tích khối phổ rất chính xác của nước cũng dẫn đến một kết quả âm tính, đưa ra giới hạn trên cho tỉ số giữa số quark tự do và số proton vào cỡ 10−27. Đúng vậy, các nhà thí nghiệm trong phòng thí nghiệm của Đại học Stanford, treo những quả bóng niobi nhỏ trong từ trường và điện trường, đã phát hiện ra các điện tích phân số trên chúng. Nhưng những kết quả này không được xác nhận ở các phòng thí nghiệm khác. Ngày nay, hầu hết các chuyên gia khi đưa ra kết luận của mình đều có xu hướng tin rằng các quark không tồn tại trong tự nhiên ở trạng thái tự do. Một tình huống nghịch lý đã nảy sinh. Quark chắc chắn tồn tại bên trong hadron. Điều này được chứng minh không chỉ bởi hệ thống quark của các hadron được mô tả ở trên, mà còn bởi sự “truyền” trực tiếp các nucleon bởi các electron năng lượng cao. Phân tích lý thuyết về quá trình này (được gọi là tán xạ không đàn hồi sâu) cho thấy bên trong các hadron, các electron bị phân tán trên các hạt điểm có điện tích bằng +2/3 và −1/3, và spin bằng 1/2. Trong quá trình tán xạ không đàn hồi sâu, electron thay đổi mạnh động lượng và năng lượng của nó, nhường một phần đáng kể cho quark (Hình 9). Về nguyên tắc, điều này rất giống với cách một hạt alpha thay đổi đột ngột động lượng của nó khi va chạm với hạt nhân nguyên tử (Hình 10). Đây là cách xác lập sự tồn tại của hạt nhân nguyên tử vào đầu thế kỷ 20 trong phòng thí nghiệm của Rutherford. Các điện tích phân số của quark cũng biểu hiện trong một quá trình kém đàn hồi sâu sắc khác: sự tạo ra các tia hadron trong sự hủy diệt e+ e− ở năng lượng cao (tại các máy va chạm lớn). Các tia hadron trong sự hủy diệt e+ e− sẽ được thảo luận chi tiết hơn ở cuối cuốn sách. Vì vậy, chắc chắn có các quark bên trong hadron. Nhưng không thể loại bỏ chúng khỏi hadron. Hiện tượng này được gọi trong tiếng Anh là “confinement”, có nghĩa là bị giam cầm, bị cầm tù. Một quark đã thu được năng lượng do va chạm với một electron (xem Hình 9) sẽ không bay ra khỏi nucleon như một hạt tự do, mà sẽ lãng phí năng lượng của nó khi hình thành quark-phản quark. 9. Sự tán xạ của một electron lên một trong ba quark của proton. Proton - vòng tròn lớn, quark - chấm đen. 10. Sự tán xạ của hạt α lên hạt nhân nguyên tử. Nguyên tử là một vòng tròn lớn, hạt nhân là một chấm đen ở tâm các cặp quark, tức là sự hình thành các hadron mới, chủ yếu là meson. Theo một nghĩa nào đó, việc cố gắng bẻ một meson thành các quark và phản quark cấu thành của nó cũng tương tự như việc cố gắng bẻ một chiếc kim la bàn thành các cực nam và cực bắc: bằng cách bẻ gãy chiếc kim, chúng ta sẽ có được hai lưỡng cực từ thay vì một. Bằng cách phá vỡ một meson, chúng ta có được hai meson. Năng lượng mà chúng ta tiêu tốn để tách quark ban đầu và phản quark ra xa nhau sẽ được sử dụng để tạo ra một cặp phản quark cộng quark mới, tạo thành hai meson với cặp ban đầu. Nhưng sự so sánh với chiếc kim nam châm là không đầy đủ và dễ gây nhầm lẫn. Suy cho cùng, chúng ta biết rằng trong sắt, không chỉ ở cấp độ vĩ mô mà còn ở cấp độ vi mô, không có cực từ, chỉ có mômen lưỡng cực từ do chuyển động quay và quỹ đạo của các electron gây ra. Ngược lại, sâu bên trong các hadron tồn tại các quark riêng lẻ - càng đi sâu vào bên trong, chúng ta càng nhìn thấy chúng rõ ràng hơn. Trong lực hấp dẫn và điện động lực học, chúng ta đã quen với thực tế là lực giữa các hạt tăng lên khi các hạt đến gần nhau hơn và yếu đi khi các hạt di chuyển ra xa nhau (thế năng như 1/r). Trong trường hợp quark và phản quark, tình hình lại khác. Có bán kính tới hạn r0 ≈ 10−13 cm: tại r r0, thế năng giữa quark và phản quark ít nhiều giống với Coulomb hoặc Newton, nhưng tại r r0 hành vi của nó thay đổi mạnh - nó bắt đầu tăng lên. Người ta có thể nghĩ rằng nếu trên thế giới không có các quark nhẹ (u, d, s) mà chỉ có các quark nặng (c, b, t), thì trong trường hợp này, bắt đầu từ r ≈ r0, thế năng sẽ tăng tuyến tính với tăng r, và chúng ta sẽ có một sự giam cầm được mô tả bởi thế kiểu Gluon. Màu phễu 47 (xem Hình 11 và Hình 5 để so sánh). Thế năng tăng tuyến tính tương ứng với một lực không thay đổi theo khoảng cách. Hãy nhớ lại rằng khi một lò xo cứng thông thường bị kéo căng, thế năng của nó tăng bậc hai theo độ giãn dài của nó. Do đó, sự giam cầm được mô tả bằng tiềm năng tăng trưởng tuyến tính có thể được gọi một cách tự nhiên là mềm mại. Thật không may, trong thế giới thực, việc tạo ra các cặp quark nhẹ không làm cho quark và phản quark ban đầu có thể tách biệt ở những khoảng cách lớn hơn Hình 2. 11. Thế năng loại vo10−13 cm, không có các sừng ban đầu mô tả plequark và phản quark lại được kết nối bởi quark trong hadron, lần này ở hai meson khác nhau. Vì vậy không thể thử nghiệm lò xo giam mềm trên khoảng cách xa. Trường lực nào khiến quark hành xử theo những cách kỳ lạ như vậy? Loại keo bất thường nào dán chúng lại với nhau? GLUON. MÀU SẮC Trường lực mạnh do các quark và phản quark tạo ra và tác dụng lên chúng được gọi là trường gluon, còn các hạt g là lượng tử kích thích của trường này được gọi là gluon (từ tiếng Anh keo - keo). Gluon tương ứng với trường gluon giống như photon tương ứng với trường điện từ. Người ta đã chứng minh rằng, giống như photon, gluon có spin bằng 1: J = 1 (thường tính theo đơn vị h̄). Độ chẵn lẻ của gluon, giống như photon, là âm: P = −1. (Tính chẵn lẻ sẽ được thảo luận dưới đây, trong phần đặc biệt “C -, P -, T - đối xứng”.) Các hạt có spin bằng 1 và tính chẵn lẻ âm (JP = 1−) được gọi là vectơ, vì trong quá trình quay và phản xạ của tọa độ, các hàm sóng của chúng được biến đổi thành các vectơ không gian thông thường. Vì vậy, gluon, giống như photon, thuộc về một loại hạt gọi là boson vectơ cơ bản. 48 Gluon. Màu sắc Lý thuyết về sự tương tác của photon với electron được gọi là điện động lực học lượng tử. Lý thuyết về sự tương tác của gluon với quark được gọi là sắc động lực học lượng tử (từ tiếng Hy Lạp "chromos" - màu sắc). Thuật ngữ “màu sắc” vẫn chưa xuất hiện trong các trang của cuốn sách này. Bây giờ tôi sẽ cố gắng nói cho bạn biết điều gì ẩn chứa đằng sau nó. Bạn đã biết rằng bạn đã quan sát bằng thực nghiệm năm loại (hoặc, như người ta nói, mùi vị) khác nhau của quark (u, d, s, c, b) và sắp khám phá ra loại thứ sáu (t). Vì vậy, theo sắc động lực học lượng tử, mỗi quark này không phải là một mà là ba hạt khác nhau. Vì vậy, tổng cộng không có 6, mà là 18 quark, và nếu tính đến phản quark thì có 36. Người ta thường nói rằng một quark của mỗi hương vị tồn tại ở dạng ba loại, khác nhau về màu sắc. Màu sắc của quark thường được chọn là vàng (g), xanh lam (c) và đỏ (k). Màu sắc của phản quark là phản xanh (c), phản đỏ (k). Tất nhiên, mọi thứ đều có màu vàng (g), những cái tên này hoàn toàn mang tính quy ước và không liên quan gì đến các màu quang học thông thường. Các nhà vật lý sử dụng chúng để chỉ định các điện tích cụ thể mà quark sở hữu và là nguồn của trường gluon, giống như điện tích là nguồn của trường photon (điện từ). Tôi đã không nhầm lẫn khi sử dụng số nhiều khi nói về trường gluon và số ít khi nói về trường photon. Thực tế là có tám loại gluon màu. Mỗi gluon mang một cặp điện tích: điện tích màu là c hoặc k). Tổng cộng, chín cặp kết hợp có thể được xây dựng từ (w hoặc s, hoặc k) và “phản màu” (w ba màu và ba “phản màu”): zhs w k zh ss s k szh ks k k. kzh Chín cặp này các kết hợp được ghép nối được chia một cách tự nhiên thành sáu “màu rõ ràng” không có đường chéo: s g s, szh, k, k s, kzh, kzh và ba đường chéo (đứng trên đường chéo của bảng của chúng tôi), có một loại “màu ẩn”: ss, k k.zhzh, Gluons .Color 49 Màu sắc, giống như điện tích, được bảo toàn nên sáu cặp màu không có đường chéo “có màu rõ ràng” không thể trộn lẫn với nhau. Riêng đối với ba cặp đường chéo có một “ẩn” màu sắc,” việc bảo toàn điện tích màu không ngăn cản sự chuyển đổi: ↔ ss ↔ k k. lj Kết quả của những chuyển đổi này là ba tổ hợp tuyến tính (chồng chất tuyến tính) phát sinh, một trong số đó 1 + ss + k √ (lj k) 3 hoàn toàn đối xứng về mặt màu sắc. Nó thậm chí không có điện tích màu ẩn, hoàn toàn không màu, hay như người ta nói, màu trắng. Có thể chọn hai kết hợp đường chéo khác, ví dụ như sau: 1 − ss) √ ( lj 2 và 1 + ss − 2k √ (lj k) . 6 Hoặc theo hai cách khác (bằng cách thay thế tuần hoàn zh → s → k → zh). Chúng ta sẽ không thảo luận về các hệ số trong sự chồng chất tuyến tính này ở đây vì điều này nằm ngoài phạm vi của cuốn sách này. Điều tương tự cũng áp dụng cho sự tương đương vật lý của ba lựa chọn xếp chồng đường chéo khác nhau. Điều quan trọng ở đây là mỗi trong số tám tổ hợp (sáu tổ hợp có màu rõ ràng và hai tổ hợp có màu tiềm ẩn) tương ứng với một gluon. Vì vậy, có tám gluon: 8 = 3 · 3 − 1. Điều rất quan trọng là trong không gian màu không có hướng ưu tiên: ba quark màu bằng nhau, ba phản quark màu bằng nhau và tám gluon màu bằng nhau. Sự đối xứng màu sắc rất nghiêm ngặt. Bằng cách phát ra và hấp thụ gluon, các quark tương tác mạnh với nhau. Để rõ ràng hơn, chúng ta hãy xét quark đỏ. Bằng cách phát ra, do bảo toàn màu sắc, nó sẽ biến thành một zhelgluon thuộc loại kzh, một quark thứ, bởi vì, theo quy luật của trò chơi, sự phát ra phản màu c, màu đỏ tương đương với sự hấp thụ màu. Bằng cách phát ra gluon, quark sẽ chuyển sang màu xanh lam. Rõ ràng là kết quả tương tự cũng áp dụng cho gluon ks. cũng dẫn đến sự hấp thụ gluon của quark đỏ, trong trường hợp thứ nhất, quark sẽ chuyển sang màu vàng, trong trường hợp thứ hai, nó sẽ chuyển sang màu xanh lam. 50 Gluon này. Quá trình màu phát xạ và hấp thụ gluon của quark đỏ có thể viết dưới dạng: qк → qл + gкл, qк + gкл → qл, qк → qс + gкс, qк + gкс → qс, trong đó qк, qл, qс biểu thị các quark đỏ, vàng và xanh lam tương ứng có mùi vị bất kỳ, và gkzh, g kzh, gks và g ks lần lượt là các gluon phản đỏ-vàng, phản đỏ-vàng, đỏ-phản xanh và phản đỏ-xanh. Theo cách tương tự, chúng ta có thể xét sự phát xạ và hấp thụ gluon không chéo bởi các quark màu vàng và màu xanh. Rõ ràng, sự phát xạ và hấp thụ của gluon chéo không làm thay đổi màu sắc của quark. Việc gluon mang điện tích màu dẫn đến sự khác biệt căn bản giữa các hạt này và photon. Một photon không có điện tích. Do đó, photon không phát ra hoặc làm rung chuyển các photon. Gluon có điện tích màu. Do đó, gluon phát ra gluon. Khối lượng của hạt tích điện càng nhỏ thì hạt đó càng dễ phát ra. Gluon không có khối lượng, do đó sự phát xạ gluon của gluon, nếu chúng có thể tự do, sẽ rất mạnh. Nhưng nó không dẫn đến thảm họa. Tương tác mạnh giữa các gluon dẫn đến sự giam cầm của cả bản thân chúng và các quark. Sự tương tác mạnh mẽ của các điện tích màu ở khoảng cách cỡ 10−13 cm trở nên mạnh đến mức các điện tích màu cô lập không thể thoát ra khỏi khoảng cách xa. Kết quả là, chỉ những tổ hợp điện tích màu như vậy mới có thể tồn tại ở dạng tự do mà không có toàn bộ điện tích màu. Điện động lực học cho phép tồn tại cả các nguyên tử trung hòa điện và các electron và ion bị cô lập. Sắc động lực học cho phép tồn tại ở trạng thái cô lập chỉ có các hadron “trắng”, không màu, trong đó tất cả các màu được trộn lẫn như nhau. Ví dụ, π + -meson dành thời gian bằng nhau cho mỗi trong số ba k có thể có: nó biểu thị các trạng thái màu uл dж, uc dс và uk d là tổng của các trạng thái này. Phát biểu cuối cùng, giống như phát biểu về gluon có màu ẩn, sẽ không rõ ràng lắm đối với người đọc chưa qua đào tạo. Nhưng, như đã đề cập ở trên, không phải mọi thứ trong vật lý đều là Gluon. Màu sắc của các hạt cơ bản 51 ke có thể được giải thích một cách đơn giản và rõ ràng, “trên ngón tay của bạn”. Về vấn đề này, đối với tôi, có vẻ như việc đưa ra một số nhận xét ở đây không chỉ liên quan đến phần này mà còn liên quan đến các phần khác của cuốn sách và tài liệu khoa học đại chúng nói chung là phù hợp. Bằng cách cho phép người đọc bằng cách nào đó điều hướng mê cung khoa học đa chiều, rộng lớn và phức tạp, các cuốn sách và bài báo khoa học phổ thông mang lại lợi ích to lớn và chắc chắn. Đồng thời, chúng gây ra tác hại đã biết. Bằng cách đưa ra một mô tả bằng lời nói, cực kỳ gần đúng và đơn giản hóa một cách hoạt hình về các lý thuyết và thí nghiệm khoa học (và những mô tả khác trong các cuốn sách phổ thông thường không thể thực hiện được), chúng có thể tạo ra cho người đọc một cảm giác sai lầm về sự đơn giản và hiểu biết đầy đủ. Nhiều người có ấn tượng rằng các lý thuyết khoa học được mô tả phần lớn là tùy ý, nếu không muốn nói là hoàn toàn tùy ý. Họ nói, có thể phát minh ra thứ gì đó khác biệt. Chính tài liệu khoa học phổ thông là nguyên nhân dẫn đến dòng chảy vô tận của các lá thư chứa đựng những “sự bác bỏ” mù chữ và “những cải tiến mạnh mẽ” về lý thuyết tương đối, cơ học lượng tử và lý thuyết về các hạt cơ bản, rơi vào các tổ chức vật lý chính của đất nước. Đối với tôi, có vẻ như tác giả của một cuốn sách khoa học phổ thông không chỉ nên giải thích đơn giản những điều đơn giản mà còn cảnh báo người đọc về sự hiện diện của những điều phức tạp mà chỉ các chuyên gia mới có thể tiếp cận được. Các quark và gluon màu không phải là phát minh của một bộ óc nhàn rỗi. Sắc động lực học lượng tử được áp đặt lên chúng ta một cách tự nhiên, nó đã được xác nhận và tiếp tục được xác nhận bởi một số lượng lớn các sự kiện thực nghiệm. Đây là một trong những lý thuyết vật lý phức tạp nhất (và có lẽ là phức tạp nhất) với một bộ máy toán học rất không tầm thường và chưa được phát triển đầy đủ. Hiện tại, không có một thực tế nào mâu thuẫn với sắc động lực học lượng tử. Tuy nhiên, một số hiện tượng được tìm thấy trong đó chỉ là lời giải thích định tính chứ không phải mô tả định lượng. Đặc biệt, vẫn chưa có sự hiểu biết đầy đủ về cơ chế làm thế nào các tia hadronic phát triển từ các cặp “quark + phản quark” được tạo ra ở khoảng cách ngắn. Lý thuyết giam cầm vẫn chưa được xây dựng. Các nhà vật lý lý thuyết giỏi nhất trên thế giới hiện đang nghiên cứu những câu hỏi này. Công việc được thực hiện không chỉ bằng phương tiện truyền thống - bút chì và giấy mà còn phải qua nhiều giờ tính toán trên những chiếc máy tính hiện đại mạnh mẽ. Trong những "thí nghiệm số" 52 Lepton này, không gian và thời gian liên tục được thay thế bằng các mạng bốn chiều rời rạc chứa khoảng 104 nút, và các trường gluon được xem xét trên các mạng này. LEPTON Trong những phần trước chúng ta đã thảo luận về tính chất và cấu trúc của hadron, nhiều họ hàng của proton. Bây giờ chúng ta chuyển sang họ hàng của electron. Chúng được gọi là lepton (trong tiếng Hy Lạp “leptos” có nghĩa là nhỏ, nhỏ và “mite” có nghĩa là đồng xu nhỏ). Giống như electron, tất cả các lepton đều không tham gia vào tương tác mạnh và có spin 1/2. Giống như electron, tất cả các lepton ở mức độ hiểu biết hiện tại có thể được gọi là các hạt cơ bản thực sự, vì không có lepton nào có cấu trúc tương tự như cấu trúc của hadron. Theo nghĩa này, lepton được gọi là hạt điểm. Hiện nay, sự tồn tại của ba lepton tích điện đã được xác lập: e−, μ−, τ − và ba lepton trung hòa: νe, νμ, ντ (các lepton sau được đặt tên tương ứng: neutrino electron, neutrino muon và neutrino tau). Tất nhiên, mỗi lepton tích điện đều có phản hạt riêng: e+, μ+, τ +. Đối với ba neutrino, người ta thường tin rằng mỗi neutrino cũng có phản hạt riêng: νe, νμ, ντ. Nhưng hiện tại không thể loại trừ rằng νe, νμ và ντ thực sự là những hạt trung hòa và mỗi hạt đều cô đơn như một photon. Bây giờ chúng ta hãy nói về từng lepton riêng biệt. Chúng ta đã thảo luận chi tiết về electron ở các trang trước của cuốn sách. Muon được phát hiện dưới dạng tia vũ trụ. Quá trình phát hiện ra muon (từ lần quan sát đầu tiên cho đến khi nhận ra thực tế rằng hạt này là sản phẩm phân rã của một pion tích điện: π + → μ+ νμ , π − → μ− νμ) kéo dài trong một thập kỷ - từ cuối những năm 30 đến cuối những năm 40. Lưu ý rằng sự hiện diện của neutrino muon của chính muon thậm chí còn được xác lập muộn hơn - vào đầu những năm 60. Về lepton tau, nó được phát hiện vào năm 1975 trong phản ứng e+ e− → τ + τ− tại máy va chạm electron-positron. Khối lượng của muon và τ-lepton lần lượt là 106 MeV và 1784 MeV. Không giống như electron, muon và τ -lepton không bền, các thế hệ lepton và quark53 ổn định. Thời gian tồn tại của muon là 2·10−6 s, thời gian tồn tại của τ-lepton là khoảng 5·10−13 s. Muon phân rã qua một kênh. Do đó, tích phân rã của μ− là e− νe νμ , và tích phân rã của μ+ là e+ νe νμ . τ-lepton có nhiều kênh phân rã: τ − → e− νe ντ , τ − → μ− νμ ντ , τ − → ντ + meson, τ + → e+ νe ντ , τ + → μ+ νμ ντ , τ + → ντ + meson. Sự phong phú của các kênh phân rã này được giải thích bởi thực tế là do khối lượng lớn của nó, τ-lepton có thể phân rã thành các hạt mà định luật bảo toàn năng lượng cấm sự phân rã của muon. Kiến thức của chúng ta về neutrino rất chưa đầy đủ. Chúng ta biết ít nhất về ντ. Đặc biệt, chúng ta thậm chí còn không biết khối lượng ντ bằng 0 hay khá lớn. Giới hạn thử nghiệm trên mντ< 150 МэВ. Аналогичный верхний предел для мюонного нейтрино: mνμ < 0,5 МэВ. Для электронного нейтрино точность измерений несравненно выше. На пределе этой точности одна из экспериментальных групп сообщила, что mνe ≈ 30 эВ. Это сообщение ожидает в настоящее время независимой проверки в других лабораториях ∗). Экспериментально установлено, что каждый из заряженных лептонов принимает участие в слабых взаимодействиях вместе со своим нейтрино: e с νe , μ с νμ , τ с ντ . Например, n → pe− νe , π + → μ + νμ , τ + → ντ e+ νe . ПОКОЛЕНИЯ ЛЕПТОНОВ И КВАРКОВ Различия между кварками и лептонами бросаются в глаза: первые - цветные и дробнозарядные, вторые - бесцветные и целозарядные. Но есть у них и общие черты: и те, и другие имеют спин, равный 1/2; и те, и другие на современном уровне знания выглядят как точечные частицы. Поэтому лептоны и кварки называют фундаментальными фермионами. ∗) Современные данные о массах нейтрино см. в разделе «20 лет спустя». 54 Поколения лептонов и кварков Фундаментальные фермионы естественным образом разбиваются на три группы, которые принято называть поколениями: u d νe e− c s νμ μ− t? b ντ τ −. Вопросительный знак напоминает, что t-кварк пока что не открыт ∗). Но тот факт, что в двух поколениях заполнены все вакансии, наводит на мысль, что и третье поколение имеет ту же структуру. Частицы первого поколения - самые легкие, частицы третьего - самые тяжелые. Из заряженных частиц первого поколения построены атомы, а электронное нейтрино, хотя и прячется от глаз, но также играет важную роль, - не будь его, погасли бы Солнце и звезды. По существу, вся Вселенная покоится на плечах частиц первого поколения. Зачем нужны частицы двух других поколений, мы пока не знаем и только начинаем догадываться. Самая долгоживущая из них - мюон - живет микросекунды (2 · 10−6 с). Странные частицы живут 10−8 -10−10 с, остальные - меньше 10−12 с. С большим трудом рожденные на специально построенных ускорителях, эти частицы практически мгновенно гибнут. Исключение составляют лишь νμ и, возможно, ντ в том случае, если ντ безмассово или очень легкое. Невольно возникают вопросы: «Зачем нужно изучать эти эфемерные и экзотические создания, если никакой роли в нашей жизни они не играют? Оправданы ли затраты на дорогие ускорительные лаборатории?» В конце книги я попытаюсь собрать воедино различные ответы на первый вопрос и обосновать положительный ответ на второй. Здесь же хотелось бы сделать лишь два утверждения. Во-первых, изучение странных, очарованных и других частиц второго и третьего поколений позволило вскрыть кварковую структуру обычных нуклонов. Ведь на идею о кварках физиков натолкнуло экспериментальное исследование странных частиц, а окончательное подтверждение существования кварков дал чар∗) Современные данные о t-кварке см. в