Експерименти у фізиці

Експеримент

Дуже багато дуже різних людей пишуть разом дивовижну, життєво важливу для людства книгу. Вона пишеться по шматках, у ній ще неясно бачаться навіть основні повороти сюжету. На строкатих сторінках то спливають окремі рядки з кінця, то раптом з’являються цілі розділи з середини. А іноді весь порядок книги доводиться перебудовувати наново, одні глави викидати зовсім, інші – переписувати. Ця книга, яка ніколи не буде дописана до кінця – наука про частки – жителів мікросвіту. У ній все змінюється в залежності від даних, які приносить експеримент. Природа досить голосно відповідає на точно поставлені питання, але іноді, немов мимохідь, до того ж впівголоса, повідомляє важливі подробиці. Так колись Рентген, вивчаючи електричний розряд в газах, звернув увагу на невидимі промені, які виходять від стінок приладу. Талановитий експериментатор відкрив відомі тепер всім рентгенівські промені.

Експериментатор повинен бути чуйним і чутливим співрозмовником природи. А чи достатньо цього? Колись, можливо, було достатньо. Але зараз ні. Жоден важливий дослід не обходиться без величезної кількості проміжних засобів та учасників. Вчений вже ніяк не походить тепер на маститого старця, який то самотньо чаклує в лабораторії, то говорить з благоговійно застиглим натовпом учнів.

Прискорювач – складна інженерна споруда з десятками побічних механізмів і установок. З ним працюють електронники та теплотехніки, вакуумники і приладники. Швидка частинка потрапляє потім у мішень, утворюючи вторинні частки або просто залишаючи слід. Якщо все це відбувається в бульбашковій водневій камері, то в роботу вступають холодильщик, а для постачання камери рідким воднем трудиться цілий завод. Все це праця не десятків, а сотень людей, маси різних фахівців. І, нарешті, безпосередній результат досліду – фотографії слідів частинок. Це сотні тисяч знімків, незліченна безліч обмірів і обчислень. Життя декількох експериментаторів не вистачило б на цю роботу. Це знову праця фахівців, що створюють машини для обробки результатів досліду.

Всіх цих людей десятків спеціальностей треба організувати, направити і зібрати воєдино їх зусилля. Але організаторської роботи, роботи командира мало. Треба ще бути, я б сказав, комісаром, треба знати характер і схильності людей, домогтися, щоб кожен розумів і цінував своє значення в результаті досліду. Треба у вирішальний момент (а такі моменти бувають часто в мирній боротьбі за таємниці природи) вміти повести всіх за собою. І – найголовніше – продовжувати залишатися солдатом-фізиком, який проводить експеримент.

Розповідь про внутрішньоядерні сили була би неповною без історії дослідів, які наштовхнули колись Резерфорда на думку про конструкцію атома, про ту модель атома, яка прийнята до сих пір. Тим більше, що це історія випадку, а випадок – нерідкий співучасник роботи всіх, хто пізнає таємниці природи. Випадок працює на користь науки навіть тоді, коли з ним стикаються (цього словесного каламбуру не можна уникнути) випадкові люди.

Початок минулого століття. У фізиці прийнята модель атома, запропонована Томсоном – велике позитивно заряджене ядро займає весь об’єм атома, а до цієї маси то тут, то там приліплені маленькі електрони. Частину подій, що відбуваються з атомом, можна було пояснити за допомогою цієї моделі, частину – не можна. Але замінити її було нічим.

Дуже багатий чоловік прийшов якось до Резерфорда. «Я хочу, щоб мій син мав вчену ступінь, – сказав він. – І пропоную наступне: Ви берете мого сина в лабораторію, де він за ряд пророблених робіт може отримати цю ступінь, а я плачу велику суму грошей і будую лікарню для бідних».

Якщо від грошей Резерфорд міг відмовитися, то відмовлятися від лікарні, яку отримало би місто, він себе вважав не вправі. Так в лабораторії з’явився новий фізик. Йому був доручений дослід, результати якого, користуючись моделлю атома Томсона, можна було передбачити заздалегідь. Позитивно зарядженими частинками, які випромінював шматочок радію, обстрілювався тонкий золотий листок. Одні частки повинні були пронизати його, не зачепивши атомів. Інші, «вдарившись» об нейтрально заряджений атом, могли відхилитися вбік на різні кути. Не повинно було бути тільки одного результату – завдяки відсутності (як думалося тоді) зосередженого позитивного заряду, частинки не могли полетіти назад під дією сил, що відбивають однаково заряджені тіла.

У добре поставленому досліді негативний результат – теж результат; багатий синок отримував вчену ступінь, а місто – лікарню для бідних. Дослід почався. Частинки бомбардували атоми, і на екранах з сірчистого цинку, куди влітали «спрацювалі» частинки, мерехтіли спалахи. Один з екранів був поставлений попереду мішені і, значить, повинен був пустувати. Але на подив експериментаторів на ньому теж з’явилися спалахи. Куля, відскочивши від мішені, поверталася назад, у бік стріляючої рушниці!

Дослід наводив на думку про те, що в глибинах атома існує позитивний зосереджений заряд, зовсім не розмазаний по всьому об’єму атома. Тоді за прилади сів найближчий помічник і учень Резерфорда, Ганс Гейгер, і незабаром була запропонована існуюча досі планетарна модель. Випадок йде назустріч тому, хто його шукає, тому випадковості в науці цілком закономірні.

Зараз пройшло багато років після відкриття ядра, але й досі фізикам недостатньо відомо – що утримує в ядрі однаково заряджені протони? Що утримує в ньому нейтрони? Звідки сили, що створюють в ядрі величезну щільність речовини? Адже один кубічний міліметр чисто ядерної речовини важив би сто тисяч тонн! Якби волокна листка паперу були з’єднані ядерними силами, то, щоб розірвати листок, знадобилися б кілька тисяч могутніх тягачів. Чи неправда, значні цифри? Сили, які утримують протони і нейтрони в ядрі і діють при зіткненні цих часток один з одним, називаються сильними взаємодіями. Поки що характер і особливості цих сил – стіна величезної і неприступної фортеці, до якої впритул підступила наука.

Сильні взаємодії поширюються тільки на дуже маленькі відстані. Десять в мінус дванадцятому ступені сантиметра, тисячні частини від мільярдної частки міліметра. Варто трохи збільшити цю відстань – сильні взаємодії замінюються звичними нам електромагнітними силами – однойменно заряджені частинки відштовхуються одна від одної.

Ми згадали про найбільші відстані, на яких проявляються сильні взаємодії, але є, очевидно, і нижня межа дії цих сил. Адже якби однаково заряджені протони (або цілі ядра) тільки притягувалися один до одного на цих крихітних відстанях, то вони надзвичайно близько підходили б один до одного. Однак цього не відбувається. Значить, десь на ще менших дистанціях знову проявляються сили відштовхування? Ряд теоретиків вважає, що так і є. А є припущення, що існує якийсь «ядерний клей», яким служать дрібні рухливі частки – мезони. Мезон, що стрімко рухається пов’язує в ядрі нуклони (тобто протони і нейтрони) приблизно так само, як м’яч утримує гравців на волейбольному майданчику.

Однак, не займаючись зараз здогадками, повернімося до задачі дослідження внутрішньоядерних сил. Здавалося б, чого простіше – при гранично можливих енергіях перевірити, що відбувається в момент зближення, навіть частинок, що зіштовхуються. І ось тут-то спливає відмінна риса сильних взаємодій, ще одна загадка ядра.

При зіткненні одна з одною двох частинок з високою енергією (наприклад, двох протонів) на місці мікрокатастрофи народжуються нові частинки.

Втім, діти зовсім несхожі на батьків. У них інша маса – наприклад, пі-мезон в 6 разів легше протона. У них інший час «життя» – той же пі-мезон існує тільки дві мільйонних частки секунди. Значить, завдання відразу ж незвичайно ускладнюється. Адже найпростіших учасників цих подій – пі-мезони вже не зіткнешся один з одним для з’ясування їх «взаємин». Прискорювач просто не встигне накопичити їх достатня кількість, щоб пучок мезонів-снарядів врізався в пучок мезонів-мішеней, викликаючи довгоочікуване зіткнення. Учасники передбачуваної зустрічі розпадуться ще по дорозі. А пучок нерухомих мезонів-мішеней і взагалі неможливо створити. Вони припинять своє існування, так і не ставши учасниками задуманої мікрокатастрофи.

І все-таки фізики знайшли вихід. Метод вирішення цього завдання про взаємодію нестійких частинок – перший пролом у фортеці під назвою Сильні Взаємодії. Справа в тому, що народжені під час зіткнення протонів легкі частинки – «близнюки» завдяки взаємодії один з одним на короткий час як би «злипаються» і частину шляху летять разом.

Коли ж вони, віддалившись на крихітну відстань, знову «розклеються» і розлетяться, їх енергії та інші «анкетні» дані можна вже розрахувати. Вивчення цих систем з «злиплих» частинок дуже важливо для фізики високих енергій.

Автор: А. І. Аліхманов.

P. S. О чем еще думают британские ученные: о том, что если вам нужен диплом срочно, то самое время поставить какой-нибудь эксперимент по физике и если он будет удачным то можно не то что диплом, целую научную степень получить.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *