Про елементарні частинки. Частина перша.

атом

З незапам’ятних часів люди прагнули вийти за природні рамки, поставлені природою, і проникнути розумом у світи, що лежать за межами безпосереднього сприйняття: світ малого і світ величезного. Тріумфальні успіхи спостережної та експериментальної астрономії дозволяють зараз сказати, що світ великих величин став у своїх основних рисах зрозумілий людині. А як же йде справа на іншому фронті?

Генеральний прорив здійснений там зовсім недавно. Мислителі давнини і середніх віків про глибинні властивості матерії могли висловити лише логічні висновки. Основним предметом дискусії було в той час наступне: дроблячи частинки речовини все дрібніше і дрібніше, доберемося ми коли-небудь до межі подільності або процес дроблення можна буде продовжувати нескінченно?

Відповідь приніс експеримент. В кінці XIX століття людині вдалося заглянути за допомогою приладів в область малого, приховану від неозброєних органів чуття. Правими виявилися атомісти – прихильники існування найменших нероздільних частинок. Дослідне підтвердження їхніх ідей було найбільшим тріумфом розуму.

НА ПЕРШИЙ ПОГЛЯД – ХАОС

Фізики відкрили до сьогоднішнього дня тридцять дві елементарні частинки. При цьому властивості різних частинок абсолютно не схожі між собою і не перебувають стосовно одна до одної в якомусь простому і ясному співвідношенні. Здається, серед найдрібніших цеглинок матерії панує гасло: «хто на що здатний». Важко навіть вирішити, з чого почати, настільки строката картина.

П’ять частинок мають масу спокою, рівну нулю, іншими словами, не можуть не рухатися. (Вони летять в порожнечі завжди зі швидкістю світла С, яка дорівнює 300 000 кілометрів на секунду). З інших двадцяти семи найважча перевершує за масою найлегшу більш ніж в два з половиною тисячі разів. Швидкості інших частинок менші швидкості світла; вони можуть бути також рівними нулю – ці частинки існують і в стані повного спокою.

Дев’ять є стабільними – вони не відчувають тенденції перетворюватися мимовільно в якісь інші частинки і живуть у вакуумі необмежено довгий час. Двадцять три частинки нестійкі, і час їх життя коливається від 10 у мінус 16 ступені секунди до 1000 секунд. Двадцять п’ять часток обертаються навколо своєї осі, причому чотири з них завжди крутяться в певну сторону по відношенню до свого поступального руху. Сім часток не обертаються.

Можна було б перерахувати ще кілька ознак, різноманітність яких створює настільки широку строкатість у світі елементарних частинок, але і сказаного досить, щоб викликати в читача сумні думки про те, як важко класифікувати мешканців мікросвіту.

Завдання, мабуть, складніше, ніж те, яке стояло перед Ліннеєм – класифікувати тварин. Зрештою, всі тварини схожі одна на іншу: всі дихають, їдять, п’ють, розмножуються, у всіх відбувається обмін речовин, всі вони смертні. І якщо метелик живе один день, а ворон – триста років (останнє, здається, недостовірно, проте термін в 300 років може бути взятий за верхню межу), то відмінність у часі життя тут зовсім мізерна в порівнянні з відмінністю в довговічності елементарних частинок. Вік ворона більше віку метелика всього в сто тисяч разів, часи ж життя частинок, навіть якщо брати тільки «смертні», тобто нестабільні частинки, відрізняються в 1019 разів. Секунда і десять мільярдів років (вся історія Землі!) – ось єдиний приклад, який може якось проілюструвати цю різницю.

І все-таки ми не можемо відмовитися від вирішення завдання. Використовуємо для цього чисто випадковий чисельний збіг: 32 елементарні частинки і 32 гральні карти. Уявімо, що у нас в руках колода карт і на кожній з них намальована одна з елементарних часток.

У ПОШУКАХ ПОРЯДКУ

Стосуємо нашу своєрідну колоду карт і пошукаємо в них закономірності. Одним з найважливіших параметрів частинки є її електричний заряд. Деякі частинки ним володіють, інші нейтральні. Покладемо наліво заряджені частинки-карти, направо – незаряджені.

Ліворуч ляже шістнадцять карт, направо – теж шістнадцять. Далі. Випишемо маси спокою частинок в порядку їх зростання: 0; 0; 0; 0; 0; 1; 1; 206,7; 206,7; 264,2; 273,2; 273,2; 965; 965; 966,5; 966,5; 1836,1; 1836,1; 1838,6; 1838,6; 2182; 2182; 2324; 2324; 2325; 2325; 2341; 2341; 2567; 2567; 2585; 2585. (За одиницю маси тут умовно взята маса найлегшої з вагомих в стані спокою частинок).

Якщо вдивитися в наведені цифри, то можна помітити, що спочатку відмінності в масах виходять дуже великими. Перехід, наприклад, від п’ятої частки до шостої дає абсолютно грандіозний стрибок – від нуля до значущої величини. Перехід від сьомої частки до восьмої пов’язаний зі зміною маси в двісті сім разів. Починаючи ж з частинки з масою 1836,1 одиниць, зростання йде дуже плавно і повільно. Це наводить на думку, що всі частинки, маси яких розташовуються поблизу значення в 2000 одиниць, мають якусь спільність. Ми переконаємося скоро, що це так і є насправді, що важкі частинки за своїми властивостями утворюють особливу групу. Фізики назвали важкі частки баріонами.

Так от, якщо покласти на одну сторону баріони, а на іншу інші частинки, то наліво ляже шістнадцять «карт», направо – теж шістнадцять. Спробуємо вже після такого розкладу провести поділ карт всередині кожної половини колоди за ознакою електричної зарядженості. Ми отримаємо чотири купки по вісім карт. Це схоже на масті в гральній колоді; ми могли б, наприклад, побудувати таку аналогію: нейтральні небаріони – піки, заряджені небаріони – трефи, нейтральні баріони – бубни, заряджені баріони – черви.

Такий порядок вже приємний – адже людина завжди прагне до простоти. Однак з поділу колоди частинок на чотири масті багато чого поки що вичавити не вдалося, хоча ми явно бачимо тут якусь чудову закономірність в природі. Доводиться згадати слова одного з великих сучасних дослідників частинок Гелл-Манна: «Може бути, природа наполегливо хоче повідомити щось важливе, але ми не розуміємо її сигналів».

На щастя, є інші принципи розподілу часток на групи, що призводять не до настільки простих, але більш плідних розкладів. Здається, істину потрібно шукати не в тому, що виглядає найбільш просто (інший раз «простота гірша воровства»), а в тому, що має вищу, не впадаючу в очі гармонію.

Вже по наведеній таблиці було видно, що багато частинок попарно володіють однаковою масою. Дослідження показало, що такі пари частинок формуються не тільки за принципом їх тяжкості. З’ясувалося, що для кожної частинки, крім двох, існує сполучена – з такою ж масою і з такими ж іншими властивостями, наприклад моментом обертання, часом життя і так далі.

Всяка частка, стикаючись зі своєю сполученою (або з античастинкою, як прийнято говорити), негайно гине, і її енергія переходить у випромінювання. Відбувається взаємна анігіляція двох сполучених часток – це дуже істотна властивість. Якщо ми тепер захочемо розділити в колоді частинок ці пари, то наліво ляже п’ятнадцять карт, направо – теж п’ятнадцять, а посередині залишаться всі карти, що не відносяться ні до лівої, ні до правої купки.

Далі буде.

Автор: В. Тростяников.

Leave a Reply

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