Пусть сейчас эта фраза звучит для вас, как китайская грамота, не страшно. Вам с ней обязательно и не раз придется еще столкнуться. Это одна из самых главных идей в физике, да и не только в ней, а вообще в науке.
Возможность преобразования массы в энергию и наоборот, как говорят ученые, их эквивалентность, равнозначность — один из краеугольных камней современного взгляда на природу. Поэтому теория относительности наряду с квантовой теорией, — база современной физики.
Что такое аннигиляция?
Теория относительности, созданная в начале этого века Альбертом Эйнштейном, приводит к поразительным результатам. Скажем, возможность «перехода» массы в энергию и наоборот подсказывает такую идею. Если пустить навстречу друг другу две очень маленькие, или как их еще называют, элементарные частички, то при ударе «в лоб» они могут часть своей энергии движения преобразовать в… новые частички. Эти удивительные превращения наблюдаются в современных ускорителях. Можно сказать, что это стало обычным, будничным событием.
Еще пример. В 1930 году английским физиком Полем Дираком впервые было предсказано существование античастиц. Это — вроде бы по всем свойствам такие же частицы, как и известные нам, только с противоположным зарядом. Например, у хорошо знакомого нам электрона должен быть его «собрат» из антимира — позитрон, или положительный электрон. Так вот, при встрече частиц и античастиц должна происходить аннигиляция — их взаимное уничтожение. Это, однако, не значит, что от них не остается совсем ничего. Масса и энергия этих частиц переходят в «чистую» энергию — энергию излучения. Такие процессы также наблюдаются в ускорителях, более того, все чаще используются для исследования микромира.
Поль Дирак (1902–1984) — английский физик-теоретик. Разрабатывал математический аппарат квантовой механики. Предположил существование положительно заряженного электрона — позитрона, открытого позднее экспериментально. Предсказал существование античастиц и аннигиляцию — один из видов превращений элементарных частиц.
Нужно сказать еще об одном необыкновенном следствии из теории относительности. Разгоняемые естественными космическими полями или «руками» ускорителей частицы при увеличении скорости наращивают свою… массу. Теория ставит предел всем скоростям в природе. Это — скорость света. По мере приближения к ней энергия, расходуемая на разгон частицы, «вынуждена» идти не на рост скорости, в, выходит, на рост массы.
Этот факт при малых скоростях окружающих нас предметов остается незамеченным — так ничтожен эффект. Но для легеньких элементарных частиц это выглядит совершенно по-иному. Их масса словно разбухает в десятки, сотни раз.
Все сказанное о «переходах» массы в энергию и обратно надежно подтверждается в опытах. К сожалению, самый «яркий» и убедительный из них — взрыв атомной или водородной бомбы.
Можно ли поймать кварк?
Что происходит на «выходе» из ускорителя? Этот огромный современный прибор, служащий для изучения микроскопических частиц, прежде всего разгоняет их с помощью электрического и магнитного полей. А вот когда частицы уже «набрали» необходимую энергию, их выводят из ускорительных колец и направляют на мишени.
Что бывает, если обычный снаряд попал в цель? Ясное дело, взрыв. Так и элементарные частички — электроны, протоны и даже заряженные ядра атомов, — ударив по мишени, вызывают малюсенькие «взрывы». Только разлетаются здесь не осколки металлического снаряда, а рожденные при ударе новые частицы.
Чтобы зафиксировать результаты этой «бомбардировки», мишень окружают большим количеством детекторов. Это приборы, которые «ловят» вылетевшие при ударе о мишень частички, измеряют их скорость, массу, энергию, заряд. Таким образом собирают сведения о всех деталях взаимодействия и устройства частиц. Каких только хитроумных изобретений ни придумали инженеры и физики! Весь арсенал классической и современной науки работает при создании детекторов.
Не будь ускорителей и детекторов, не удалось бы еще глубже заглянуть в строение материи. Разве электрон, протон, нейтрон — частички, составляющие атом и его ядро — самые крохотные «дольки» вещества? Исследования на ускорителях ответили — нет!
Ричард Фейнманн (1918–1988) — американский физик-теоретик. Занимался квантовой теорией, физикой элементарных частиц, сверхпроводимостью, теорией тяготения. Разработал способ объяснения возможных превращений частиц. Предложил составную модель протона и нейтрона. Автор широко известного курса «Фейнмановские лекции по физике».
По всей видимости, элементарные, простейшие частицы вовсе не так просты. То есть они сами состоят из еще более мелких «деталек», названных кварками. Природа и здесь преподнесла нам сюрприз: хоть кварки и «сидят» внутри частиц, «выманить» их оттуда невозможно. Чем-то это похоже на строительство из блоков — каждый блок состоит из деталей, но они так сцементированы, что разъединить их нельзя.
Отчего неуловимы нейтрино?
А сколько всего «элементарных» частиц? За последнее столетие их обнаружили несколько сотен, причем очень разных, непохожих друг на друга — целый зоопарк. Об одной из них, совсем удивительной, стоит рассказать особо.
Изучая ядерные реакции, физики столкнулись с довольно хитрой загадкой. В каких-то случаях не сходились концы с концами, возникала, говоря языком торговцев, недостача энергии. Но допустить, что нарушается закон ее сохранения, ученые не могли. Пришлось даже изобрести, выдумать особую частичку, которая будто бы уносила с собой вот эту недостаточную энергию. Назвали ее нейтрино, что в переводе с итальянского означает «нейтрончик». Дело в том, что частичка эта нейтральна, не имеет заряда, и «поймать» ее, обнаружить обычными способами нельзя.
Двадцать долгих лет нейтрино существовало лишь теоретически, «в голове». Возникали вполне естественные сомнения в том, что она вообще может быть. И только когда были созданы ядерные реакторы, стало возможным найти ее следы. По этим следам, как детективы, ученые восстанавливали картину событий, в которых принимают участие нейтрино.
Вольфганг Паули (1900–1958) — швейцарский физик-теоретик. Работал во многих разделах современное теоретической физики, один из создателей квантовой механики. Сформулировал один из важнейших принципов строения вещества. Высказал гипотезу о существовании нейтрино и предсказал ее свойства. Глубоко занимался теорией элементарных частиц и ядерных сил.
