Дао физики - Фритьоф Капра

Глава 15. КОСМИЧЕСКИЙ ТАНЕЦ

В ходе изучения субатомного мира в двадцатом веке физики обнаружили, что вещество имеет динамическую природу, а составные части атома, субатомные частицы представляют собой динамические структуры, существующие не в виде самостоятельных единиц, а в виде неотъемлемых компонентов неразрывной сети взаимодействий. Эти взаимодействия питает бесконечный поток энергии, воплощающийся в обменах частицами, динамическом чередовании стадий созидания и разрушения, а также в беспрестанных изменениях энергетических паттернов. В результате взаимодействий образуются все более устойчивые единицы, из которых и состоят материальные тела. Эти единицы, в свою очередь, тоже не остаются неподвижными, но ритмически колеблются. Таким образом, вся Вселенная оказывается вовлеченной в бесконечный процесс движения и деятельности — в постоянный космический танец энергии.

В этом танце принимает участие бесчисленное множество паттернов, которые, как это ни странно, мы можем разделить на несколько основных разновидностей. Изучение субатомных частиц и их взаимодействий открывает нашему взору не мир хаоса, а в высшей степени упорядоченный мир. Все атомы, а значит, и все материальные тела вокруг нас представляют собой сочетания всего лишь трех материальных частиц, обладающих массой: протона, нейтрона и электрона. Четвертая частица, фотон, не имеет массы и является единицей электромагнитного излучения. Протон, электрон и фотон представляют собой устойчивые частицы, что означает, что их существование не прерывается до тех пор, пока они не принимают участия в столкновениях с другими частицами, угрожающими им аннигиляцией. Распад нейтрона, напротив, может с легкостью произойти в любой момент. Этот процесс, получивший название «бета-распада», представляет собой обычный механизм одной из разновидностей радиоактивных явлений. Он состоит из преобразования нейтрона в протон и возникновения электрона и нейтрино. Нейтрино — еще одна частица, не имеющая массы, но характеризующаяся устойчивостью, подобно протону, электрону и фотону. Обычно нейтрино обозначают греческой буквой u («ню»), в результате чего символическая запись процесса бетараспада приобретает следующий вид:

n -> p + e— + u (ню)

Преобразование нейтронов в протоны влечет за собой преобразование атомов радиоактивного вещества в атомы другого элемента. Возникающие в ходе этого химического процесса электроны испускаются атомами в виде мощного излучения, которое находит широкое применение в биологии, медицине и промышленности. Установить факт возникновения нейтрино гораздо сложнее, так как эти частицы не имеют ни массы, ни электрического заряда.

Как уже говорилось выше, для каждой частицы существует аналогичная античастица с такой же массой и противоположным зарядом. Античастицей для фотона является сам фотон, античастица электрона называется позитроном; помимо них, нам известны антипротон и антинейтрино. На самом деле, та не имеющая веса частица, которая возникает в процессе бета-распада, представляет собой не нейтрино, а его античастицу, антинейтрино (u-), вследствие чего наша запись приобретает вид:

n -> р + е— + u—

Упоминавшиеся до сих пор частицы — лишь малая часть всех субатомных частиц, известных современной науке. Все остальные персонажи субатомного мира неустойчивы; они очень быстро распадаются на другие частицы, которые, в свою очередь, могут тоже подвергаться распаду до тех пор, пока не образуются устойчивые частицы. Исследование неустойчивых частиц очень дорогостоящее, так как для каждого эксперимента эти частицы приходится создавать заново, что невозможно без огромных ускорителей частиц, пузырьковых камер и других устройств для детекции частиц.

Самые неустойчивые частицы существуют на протяжении очень небольшого промежутка времени по сравнению с нашими временными масштабами — меньше миллионной доли секунды. Однако следует учитывать, что продолжительность их жизни должна рассматриваться в сочетании с их размерами, которые тоже очень невелики. При таком подходе сразу становится очевидно, что на самом деле продолжительность существования этих частиц — довольно большая величина, и что одна миллионная доля секунды фактически — огромная продолжительность жизни в мире частиц. Человек за одну секунду может преодолеть расстояние, которое в несколько раз превышает его собственные размеры. Для частицы аналогичной единицей времени будет тот промежуток времени, в течение которого частица преодолевает расстояние, которое тоже превышает ее размеры в несколько раз; эту единицу времени логично назвать «частице-секунда». Физики оценивают продолжительность этой единицы времени в 1.0е-23 доли обычной секунды.

Для того, чтобы преодолеть расстояние, равное диаметру среднестатистического ядра атома, частице, движущейся со скоростью, близкой к скорости света (как это происходит, скажем, вовремя экспериментов по столкновению частиц), необходимо примерно десять таких частице-секунд. Около двух дюжин из всего множества неустойчивых частиц, прежде чем подвергнуться распаду, преодолевают расстояния, равные размерам нескольких атомов. Это расстояние превышает их собственные размеры примерно в сто тысяч раз, и для его преодоления требуется несколько сот «частице-часов». Эти частицы, наряду с уже упоминавшимися устойчивыми, перечислены в таблице на рис. 34. Большинство неустойчивых частиц из этой таблицы могут до своего распада переместиться на целый сантиметр или даже на несколько сантиметров, а неустойчивые частицы с наибольшей продолжительностью существования могут преодолеть расстояние даже в несколько сотен метров, которое кажется воистину огромным по сравнению с их собственными размерами.

Таблица на рис. 34 включает тринадцать различных видов частиц, многие из которых могут существовать в нескольких «зарядовых состояниях». Так пионы могут иметь положительный заряд (п+), отрицательный заряд (п-) или быть электрически нейтральными (п0). Существует две разновидности нейтрино, различающиеся тем, что каждая из них может взаимодействовать только с определенным типом частиц: первая — с электронами (Ve), вторая — с мюонами (ui). Античастицы тоже включены в таблицу, причем три частицы могут быть своими собственными античастицами (гамма, Л, i). Все частицы расположены в порядке возрастания массы атомов: фотоны и нейтрино не имеют массы, электрон представляет собой легчайшую частицу из обладающих массой, мюоны, пионы и каоны в несколько сот раз тяжелее электрона; Остальные частицы тяжелее электрона в 1000-3000 раз.

Все остальные известные к настоящему времени частицы относятся к числу так называемых «резонансов». Им посвящена следующая глава. Резонансы еще менее долговечны, их распад происходит за несколько частицесекунд, вследствие чего они не могут преодолевать расстояния, превышающие их размеры больше, чем в несколько раз. Это означает, что пузырьковая камера оказывается беспомощной и не может обнаружить присутствие этих частиц. Поэтому свидетельства их существования могут быть только косвенными. Следы из пузырьков в пузырьковых камерах оставляют только те частицы, которые перечислены в нашей таблице.

В процессе столкновения все эти частицы могут возникать и аннигилировать, а также участвовать в виртуальных обменах, осуществляя таким образом взаимодействия между другими частицами. Казалось бы, при таком раскладе итоговое количество возможных типов взаимодействий между частицами может быть очень большим, однако по какой-то причине, которая остается неизвестной, все взаимодействия делятся на четыре разновидности, характеризующиеся различной степенью взаимодействия. Перечислим эти разновидности:

— Сильные взаимодействия.

— Электромагнитные взаимодействия.

— Слабые взаимодействия.

— Гравитационные взаимодействия.

Наиболее известными из них являются электромагнитные и гравитационные взаимодействия, наблюдающиеся в макроскопическом мире. Гравитационные взаимодействия наличествуют между всеми существующими частицами, однако при этом они настолько слабы, что не подвергаются экспериментальной детекции. В макроскопическом мире гравитационные взаимодействия большого количества частиц, составляющих массу тела, складываются и порождают макроскопическую силу гравитации, которая является основной силой во Вселенной. Электромагнитные взаимодействия происходят между всеми заряженными частицами. Именно они ответственны за все химические реакции, а также за образование и всех атомных и молекулярных структур. Сильные взаимодействия удерживают вместе протоны и нейтроны внутри ядра. Они порождают ядерную силу — самую мощную из всех известных современной науке сил. Так, например, электроны удерживаются поблизости от атомного ядра при помощи электромагнитной силы, обладающей энергией примерно в десять электрон-вольт, в то время как ядерная сила, связывающая нейтроны внутри ядра, использует энергию, равную десяткам миллионов электрон-вольт — особых единиц для измерения энергии на субатомном уровне.