«Наука и Техника» [журнал для перспективной молодежи], 2008 № 01 (20) - Журнал «Наука и Техника» (НиТ)

(продолжение следует)

НАУЧНОЕ ОБОЗРЕНИЕ

• АСТРОНОМИЯ, АСТРОФИЗИКА И КОСМОНАВТИКА

Театр под названием Вселенная

Игорь Сокальский, кандидат физико-математических наук

ЧАСТЬ III: АКТЕРЫ, ЗАНЯТЫЕ В ЭПИЗОДАХ

Помимо протонов и нейтронов, образующих атомные ядра, из которых состоит видимый нами мир, есть еще три стабильные частицы: электрон, квант электромагнитного излучения и нейтрино. Все они, родившись в тех или иных процессах, существуют бесконечно долго. Во всяком случае, ни в одном эксперименте не удалось пока обнаружить их самопроизвольного распада. Остальные элементарные частицы нестабильны и распадаются. Дольше всех живут мюоны — две миллионные доли секунды. Срок жизни других частиц (общее число их разновидностей достигает нескольких тысяч) как минимум в 100 раз меньше, чем у мюонов (это π- и К-мезоны), а у подавляющего большинства он еще короче. Типичное время жизни так называемых частиц-резонансов — 10-22 секунды. Это во столько же раз короче жизни мюона, во сколько один час меньше возраста Вселенной. Поэтому мюоны в ядерной физике считаются частицами почти стабильными. Помимо уже известных частиц, предполагается существование других, еще не открытых, например — магнитных монополей, гравитонов и бозонов Хиггса.

Электроны

Электроны образуют оболочку атомов, определяя их химические свойства. Электрический заряд электронов отрицателен, и их кулоновское взаимодействие с положительными ядрами придает атомам стабильность; удерживая их от распада. Число электронов в атомной оболочке всегда равно числу протонов в ядре, что делает атом электрически нейтральным. Масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы нуклона (протона или нейтрона), поэтому электроны не вносят заметного вклада в массу наблюдаемого нами вещества. Последняя почти целиком определяется количеством составляющих его нуклонов.

Идея атомов — мельчайших кирпичиков материи — одна из самых старых физических идей. Она была сформулирована греческим философом Демокритом двадцать пять столетий назад. Несмотря на наивность своих взглядов (он учил, например, что огонь обжигает потому, что его атомы остры, а вода способна течь, поскольку атомы у нее гладкие), Демокрит правильно понял основное: разные вещества состоят из разных атомов, и особенности атомов формируют свойства тех или иных веществ.

Первым существование электрона как отдельной частицы зафиксировал в 1897 году английский физик, руководитель Кавендишской лаборатории Джозеф Джон Томсон. Он исследовал катодные лучи, отклоняющиеся в магнитном и электрическом полях, и доказал, что они представляют собой поток отрицательно заряженных частиц — электронов. Его сын Джордж Томсон в 1926–1927 годах обнаружил, что пучок электронов, рассеиваясь на тонкой пленке, дает дифракционную картину. То есть частица — электрон — ведет себя так же> как электромагнитная волна. Это было совершенно неожиданно с точки зрения классической физики. Эксперименты Томсонов с электронами сыграли важную роль в становлении квантовой механики.

Значение этих элементарных частиц в жизни людей трудно переоценить не только потому, что они определяют ход химических реакций, без которых жизнь была бы невозможна. Движение электронов в проводящих веществах под воздействием разницы потенциалов — электрический ток — технологическая основа современной цивилизации.

Эти же элементарные частицы способны донести до нас вести из глубин Вселенной: электромагнитное излучение, рождаемое при движении электронов в магнитном поле, называется синхротронным. Синхротронное излучение, приходящее от остатков сверхновых, пульсаров, активных ядер галактик или квазаров, несет информацию о процессах, протекающих в этих объектах.

Фотоны

Фотон — элементарная частица, переносящая электромагнитное взаимодействие, квант электромагнитного поля. Чаще всего фотонами называют частицы света, видимого человеческим глазом (длины волн от 3,5 до 6,5 микрон). Для обозначения переносчиков коротковолнового излучения (фотонов более высоких энергий) часто используют понятие «гамма-квант». В действительности термины «гамма-квант» и «фотон» — синонимы, их можно использовать применительно к кванту электромагнитного излучения с любой длиной волны. Макс Планк в 1900 году для объяснения свойств теплового излучения постулировал, что энергия электромагнитного поля излучается и поглощается отдельными порциями, квантами, а сам термин «фотон» предложил Гилберт Льюис в 1926 году. Свет состоит из фотонов. Электрическая лампочка мощностью в 100 Вт излучает примерно сто миллиардов миллиардов (1020) фотонов в секунду.

Основная функция фотонов в современной Вселенной — переносить энергию, которая выделяется в процессах, происходящих в звездах, активных ядрах галактик, квазарах и других «активных» объектах. Например, энергию, образующуюся в результате термоядерного синтеза в ядрах звезд, уносят фотоны и нейтрино, о которых будет рассказано чуть ниже. Эта энергия рассеивается в межзвездном и межгалактическом пространстве. Часть ее идет (за счет поглощения фотонов атомами) на нагрев планет у звезд с планетными системами, благодаря чему на некоторых из них могут (по крайней мере в теории) возникнуть условия для зарождения жизни. Единственная известная нам сейчас планета, на которой жизнь действительно возникла, — это наша Земля. Все попытки обнаружить внеземную жизнь, хотя бы и неразумную, пока ни к чему не привели — может быть, к сожалению, а может быть, к счастью.

Для нас, людей, фотоны служат одним из самых мощных инструментов познания окружающего мира: 90 % информации, получаемой нами, поступает через органы зрения — глаза. Наши представления о Вселенной почти полностью сформированы наблюдением и исследованием электромагнитного излучения, поступающего из космоса. До середины XVII века, когда Галилео Галилей первым догадался направить на небо подзорную трубу, небесные объекты изучали с помощью глаз. Но и этот простой способ позволил прийти к гелиоцентрической модели мира. Наблюдение неба с помощью фотонов, регистрируемых оптическими телескопами, привело к настоящей революции: к середине XX века стала известна крупномасштабная структура Вселенной, а также природа планет и звезд. Сейчас астрономы изучают космос практически во всех диапазонах длин электромагнитных волн, от радиоволн до гамма-излучения. Вместе с тем бурно развиваются и «нефотонные» методы — регистрация протонов и легких ядер, входящих в состав космических лучей, а также нейтрино.

Нейтрино

История этой частицы началась 4 декабря 1930 года, когда великий Вольфганг Паули в письме участникам физического семинара в немецком городе Тюбингене с горечью написал: «Я сделал сегодня что-то ужасное. Физику-теоретику никогда не следует делать ничего подобного. Я ввел в теорию нечто, что никогда не сможет быть проверено экспериментально». Речь шла о гипотетической в то время частице, название для которой появилось только спустя два года. Крестным отцом стал итальянский физик Энрико Ферми. Он предложил назвать электрически нейтральную безмассовую частицу «маленькое нейтральное», или, по-итальянски, «neutrino». Паули же сокрушался потому, что в отчаянной попытке спасти закон сохранения энергии он был вынужден нарушить основополагающий научный принцип, предложенный в XIV веке Уильямом Оккамом: «Entia non sunt multiplicianda praeter necessitatern» («Сущности не следует умножать без