Александр Леонович - Физика без формул

Надо сказать, что на пути овладения термоядом были сделаны выдающиеся открытия, созданы уникальные физические установки, множество изобретений оказалось полезным для самых различных наших нужд. Однако главная задача до сих пор решению не поддается, и сейчас трудно сказать, когда же эти работы завершатся.

Соблазн поймать термояд «за хвост» был так велик, что несколько лет назад весь научный мир всколыхнула сенсация. Некоторые ученые заявили, что обнаружили реакцию синтеза при низких температурах. Многочисленные опыты и проверки этого не подтвердили. Говорить можно было о любопытном явлении, но никаких «кладовых энергии» за ним не скрывалось.

Что ж, в науке бывает и такое. Ее история богата не только достижениями, но и ошибочными идеями и мистификациями. Главное — суметь отделить одно от другого и не упустить странного, на первый взгляд, но верного предположения.

Как может концентрироваться невероятно большая энергия в ничтожно маленьких частичках вещества? По всей видимости, эта энергия не похожа на энергию движущегося автомобиля или ракеты, горящего топлива и на энергию просто горячего тела.

Когда физики научились делать тончайшие измерения, они смогли буквально «взвесить» и отдельный атом, и даже входящие в его состав частички. Выяснилось, что если подобным образом измерить массу вступающих в ядерную реакцию частиц и сравнить с массой того, что оказалось в результате реакции, то получается…

Вот тут ученых ждало еще одно поразительное открытие. Измеренные «до» и «после» массы были не равны. Куда же подевалась разница? А давайте лучше спросим себя, откуда взялась выделяемая в реакции энергия? Удивительно, но эти два вопроса говорят об одном и том же. Надо только сделать шаг: «убыль» массы связать с «прибылью» энергии.

Этот смелый шаг был совершен как бы заранее, до всяких измерений. И сделал его в начале нашего века великий ученый Альберт Эйнштейн при создании им так называемой теории относительности. Мы позволим себе записать формулу, заключающую мысль о связи массы и энергии, в таком, словесном виде:

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.

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 Диракомвпервые 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.

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!