Розщеплення атома
Часто кажуть, що існують два види наук – великі науки та малі. Розщеплення атома – велика наука. Вона має в своєму розпорядженні гігантські експериментальні установки, колосальні бюджети і отримує левову частку Нобелівських премій.
Навіщо фізикам знадобилося розщеплювати атом? Проста відповідь – щоб зрозуміти, як влаштований атом, – містить лише частку істини, але є й загальніша причина. Говорити буквально про розщеплення атома не зовсім правильно. Насправді йдеться про зіткнення часток високої енергії. При зіткненні субатомних частинок, які з великими швидкостями, відбувається народження нового світу взаємодій і полів. Осколки матерії, що несуть велику анергію, що розлітаються після зіткнень, таять у собі секрети природи, які від “створення світу” залишалися похованими в надрах атома.
Установки, на яких здійснюється зіткнення частинок високих енергій – прискорювачі частинок – вражають своїми розмірами та вартістю. Вони досягають кількох кілометрів у поперечнику, і в порівнянні з ними навіть лабораторії, в яких вивчаються зіткнення частинок, здаються крихітними. В інших галузях наукових досліджень обладнання розміщується у лабораторії, у фізиці високих енергій лабораторії прилаштовуються до прискорювача. Нещодавно Європейський центр ядерних досліджень (ЦЕРН), розташований неподалік Женеви, виділив кілька сотень мільйонів доларів на будівництво кільцевого прискорювача. Довжина кола спорудженого для цієї мети тунелю досягає 27 км. Прискорювач, який отримав назву ЛЕП (LEP, Large Electron-Positron ring-велике електрон-позитронне кільце), призначений для прискорення електронів та їх античастинок (позитронів) до швидкостей, всього лише "на волосок", що відрізняються від швидкості світла. Щоб мати уявлення про масштаби енергії,Уявимо, що замість електронів до таких швидкостей монета розганяється гідністю в один пенні. Наприкінці циклу прискорення вона мала б енергію, достатню для виробництва електроенергії на суму 1000 млн. дол.! Не дивно, що такі експерименти прийнято відносити до фізики "високих енергій". Рухаючись усередині кільця назустріч один одному, пучки електронів і позитронів зазнають лобових зіткнень, при яких електрони та позитрони анігілюють, вивільняючи енергію, достатню для народження десятків інших частинок.
Що це за частки? Деякі з них - ті самі "цеглинки", з яких побудовані ми з вами: протони і нейтрони, що складають атомні ядра, і електрони, що обертаються навколо ядер. Інші частки зазвичай в навколишній речовині не зустрічаються: їх вік надзвичайно короткий, і після закінчення вони розпадаються на звичайні частинки. Число різновидів таких нестабільних короткоживучих частинок разюче: їх відомо вже кілька сотень. Подібно до зірок, нестабільні частинки занадто численні, щоб їх розрізняти “за іменами”. Багато хто з них позначений лише грецькими літерами, а деякі – просто числами.
Важливо мати на увазі, що всі ці численні та різноманітні нестабільні частинки аж ніяк не є у прямому значенні складовими частинами протонів, нейтронів чи електронів. Зіткнувшись, електрони та позитрони високих енергій зовсім не розлітаються на безліч субатомних уламків. Навіть при зіткненнях протонів високих енергій, які свідомо складаються з інших об'єктів (кварків), вони, як правило, не розщеплюються на складові в звичайному сенсі. Те, що відбувається за таких зіткнень, краще розглядати як безпосереднє народження нових частинок з енергії зіткнення.
Років двадцять тому фізики були зовсім спантеличенічисельністю та різноманітністю нових субатомних частинок, яким, здавалося, не буде кінця. Неможливо було зрозуміти, навіщо стільки частинок. Можливо, елементарні частинки подібні до мешканців зоопарку з їх неявно вираженою приналежністю до сімейств, але без будь-якої чіткої систематики. Чи, можливо, як вважали деякі оптимісти, елементарні частинки таять у собі ключ до Всесвіту? Що таке спостерігаються фізиками частинки: малозначні і випадкові уламки матерії або обриси, що виникають на наших очах, смутно відчувається порядку, що вказує на існування багатої і складної структури суб'ядерного світу? Нині у існуванні такої структури немає жодних сумнівів. Мікросвіт притаманний глибокий і раціональний порядок, і ми починаємо розуміти, яке значення всіх цих частинок.
Перший крок до розуміння мікросвіту був зроблений в результаті систематизації всіх відомих частинок, подібно до того, як у XVIII ст. біологи складали найдокладніші каталоги видів рослин та тварин. До найважливіших характеристик субатомних частинок ставляться маса, електричний заряд і спин.
Оскільки маса і вага пов'язані між собою, часточки з великою масою часто називають важкими. Співвідношення Ейнштейна Е = mc^ 2 показує, що маса частки залежить від її енергії і, отже, від швидкості. Частка, що рухається, важча від спокою. Коли говорять про масу частки, мають на увазі масу її спокою, оскільки ця маса не залежить від стану руху. Частка, що має нульову масу спокою, рухається зі швидкістю світла. Найбільш очевидний приклад частки з нульовою масою спокою фотон. Вважається, що електрон – найлегша з часток із ненульовою масою спокою. Протон і нейтрон майже в 2000 разів важчі, тоді як маса найважчої частки, яку вдалося створити в лабораторії(Z-частинки) приблизно в 200 000 разів більше маси електрона.
Електричний заряд частинок змінюється у досить вузькому діапазоні, але, як ми зазначали, завжди кратний фундаментальній одиниці заряду. Деякі частинки, наприклад фотон та нейтрино, не мають електричного заряду. Якщо заряд позитивно зарядженого протона прийняти за +1, заряд електрона дорівнює -1.
У гол. 2 ми запровадили ще одну характеристику частинок – спин. Він також завжди приймає значення, кратні деякій фундаментальній одиниці, яка з історичних причин обрана рівною 1/2. Так, протон, нейтрон і електрон мають спін 1/2, а спін фотона дорівнює 1. Відомі також частинки зі спином 0, 3/2 і 2. Фундаментальних частинок зі спином більше 2 не виявлено, і теоретики вважають, що частинок з такими спинами не існує.
Спин частинки - важлива характеристика, і залежно від його величини всі частки поділяються на два класи. Частинки зі спинами 0, 1 і 2 називаються "бозонами" - на честь індійського фізика Чатьендраната Бозе, а частинки з напівцілим спином (тобто зі спином 1/2 або 3/2 - "ферміонами" на честь Енріко Фермі. Приналежність до одному з цих двох класів є, ймовірно, найбільш важливим у переліку характеристик частинки.
Інша важлива характеристика частки – її час життя. Донедавна вважалося, що електрони, протони, фотони та нейтрино абсолютно стабільні, тобто. мають нескінченно велику пору життя. Нейтрон залишається стабільним, поки він "замкнений" в ядрі, але вільний нейтрон розпадається приблизно за 15 хв. Всі інші відомі частки вкрай нестабільні, їх часи життя коливаються в межах від кількох мікросекунд до 10-23 с. Такі інтервали часу здаються незбагненно малими, проте не слід забувати, що частка, що летить зі швидкістю, близькою дошвидкості світла (а більшість частинок, що народжуються на прискорювачах, рухаються саме з такими швидкостями), встигає пролетіти за мікросекунду відстань 300 м-коду.
Нестабільні частинки зазнають розпаду, що є квантовим процесом, і тому в розпаді завжди є елемент непередбачуваності. Тривалість життя конкретної частки неможливо передбачити заздалегідь. За підсумками статистичних міркувань можна передбачити лише середній час життя. Зазвичай говорять про період напіврозпаду частки – часу, протягом якого населення тотожних частинок скорочується наполовину. Експеримент показує, що зменшення чисельності популяції відбувається за експонентом (див. рис. 6) та період напіврозпаду становить 0,693 від середнього часу життя.
Фізикам недостатньо знати, що чи інша частка існує – вони прагнуть зрозуміти, яка її роль. Відповідь це питання залежить від перерахованих вище властивостей частинок, і навіть від характеру сил, які діють частинку ззовні і всередині неї. Насамперед властивості частки визначаються її здатністю (або нездатністю) брати участь у сильній взаємодії. Частинки, що у сильному взаємодії, утворюють особливий клас і називаються андронами. Частинки, що беруть участь у слабкому взаємодії і які беруть участь у сильному, називаються лептонами, що означає “легкі”. Познайомимося коротко з кожним із цих сімейств.