Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

Возьмем экран с двумя тонкими горизонтальными прорезями и направим на него луч света. Естественно предположить, что частицы света будут проходить через оба отверстия прямо и за экраном возникнут две четкие световые полосы. Однако на практике мы наблюдаем совершенно иной эффект. Каждая из прорезей играет роль независимого источника вторичных световых волн, как поплавок на воде, и за экраном образуется сложная картина из перемежающихся полос света. Причем часть из них будет располагаться в «мертвой зоне» вне прямой линии попадания света. Это полностью соответствует модели звуковых волн, исходящих из двух стереодинамиков и дающих пик громкости стереоэффекта на линии равного удаления между ними.

Итак, совершенно очевидно, что микрочастицы ведут себя принципиально иначе, чем окружающие нас объекты. Почему это происходит? Это очень важный и сложный вопрос, над которым околонаучные философы бьются уже целое столетие. На самом же деле корпускулярно-волновой дуализм означает, что в любом материальном теле содержится «зародыш» его волновой природы. И чем меньше становится материальный объект, тем больше его вторая «волновая сущность». И электроны, и фотоны представляют собой не волны и не частицы, а нечто совершенно особенное по своей внутренней природе — и потому не поддающееся описанию в терминах нашего повседневного опыта.

Морис Эшер. Все меньше и меньше

Выдающийся голландский график иллюстрирует решение парадокса, возникшего еще в античные времена: что будет, если обыкновенное яблоко делить пополам бесконечное количество раз?

Сверхсложная элементарность

Элементарные частицы, в точном значении этого термина, — это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них, по современным представлениям, — составные системы. Общее свойство этих систем заключается в том, что они не являются атомами или ядрами. Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, сейчас представляют в виде струн, мембран и просто как мерцающие сгущения полей.

Электронно-лучевая трубка Дж. Дж. Томсона

В своем опыте Томсон использовал усовершенствованную катодно-лучевую трубку, конструкция которой была дополнена электрическими катушками, создававшими внутри трубки магнитное поле, и набором параллельных электрических конденсаторных пластин, создававших внутри трубки электрическое поле. Благодаря этому появилась возможность исследовать поведение катодных лучей под воздействием и магнитного, и электрического поля.

Столкновения элементарных частиц в конденсационной камере

Молодой ученый Карл Андерсон под руководством знаменитого физика-экспериментатора Роберта Милликена придумал установку для регистрации космических лучей, состоящую из мишени, помещенной в мощное магнитное поле. (Линии — следы пузырьков, образующихся вокруг атомов, возбужденных в результате пролета быстрых заряженных частиц.)===

Следующее неожиданное открытие пришло из высокогорных лабораторий, изучающих состав космических лучей, бомбардирующих нашу планету. Там вскоре начали открывать всевозможные частицы, не имеющие ни малейшего отношения к классической атомной триаде — электрону, протону и нейтрону. В частности, были обнаружены совершенно немыслимые по своей природе античастицы.

Мир античастиц — своего рода зеркальное отражение знакомого нам мира. Масса античастицы в точности равняется массе частицы, которой она вроде бы соответствует, но все ее остальные характеристики противоположны прообразу. Например, электрон несет отрицательный электрический заряд, а парная ему античастица — позитрон («позитивный электрон») — положительный. У протона заряд положительный, а у антипротона — отрицательный. И так далее. При встрече частицы и ее античастицы происходит мгновенный микровзрыв (физики называют это явление взаимной аннигиляцией), и обе частицы прекращают свое существование, а их масса преобразуется в энергию, которая рассеивается в пространстве в виде вспышки фотонов и прочих сверхлегких частиц.

Существование античастиц было впервые предсказано теоретически и открыто «на кончике пера» знаменитым впоследствии английским ученым Полем Дираком.

Чтобы понять, как ведут себя частицы и античастицы при взаимодействии по Дираку, представьте себе ровное поле. Если взять лопату и вырыть в нем ямку, в поле появятся два объекта — собственно ямка и кучка грунта рядом с ней. Теперь представим, что кучка грунта — это обычная частица, а ямка, или «отсутствие кучки грунта», — античастица. Засыпьте ямку ранее извлеченным из нее грунтом — и не останется ни ямки, ни кучки (аналог процесса аннигиляции). И снова перед вами ровное поле.

Пока шло теоретизирование вокруг античастиц, экспериментатор К. Андерсон придумал их детектор, получивший название конденсационной камеры. Андерсон смог зарегистрировать частицы, возникающие в результате столкновения космических лучей с мишенью, по следам (трекам) из капелек конденсата, которые можно было сфотографировать и по полученным фотографиям изучать траектории движения частиц. Точно так же ведет себя высотный реактивный самолет, оставляя после себя в атмосфере инверсионный след.

По интенсивности трека, оставленного частицей, можно судить о ее массе, а по характеру отклонения ее траектории в магнитном поле — определить электрический заряд частицы. Вскоре удалось зарегистрировать ряд столкновений, в результате которых образовывались частицы с массой, равной массе электрона, однако отклонялись они под воздействием магнитного поля в противоположную сторону по сравнению с электроном и, следовательно, имели положительный электрический заряд. Так была впервые экспериментально выявлена античастица — позитрон. Все следующие за позитроном античастицы были экспериментально обнаружены уже в лабораторных условиях — на ускорителях. Сегодня физики-экспериментаторы имеют возможность буквально штамповать их в нужных количествах для текущих экспериментов, и чем-то из ряда вон выходящим античастицы давно не считаются.

Сейчас ученым известно четыре вида сил, определяющих рождение и жизнь элементарных частиц. Сильное взаимодействие элементарных частиц вызывает процессы, протекающие с наибольшей сравнительной интенсивностью, и приводит к возникновению самой сильной связи среди элементарных частиц. Именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещества и тем самым определяет устойчивость окружающих нас вещей. Слабое взаимодействие элементарных частиц вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе радиоактивные распады. Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного. Гравитационное взаимодействие элементарных частиц является наиболее слабым из всех известных. Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях дает чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.