Ричард Фейнман - Радость познания

Диктор: И кроме того, теория доктора Фейнмана объяснила многое другое; квантовая электродинамика обеспечивает понимание сил, которые удерживают вместе материю. Она дополнительно объясняет свойства бесконечно малых, коротко живущих частиц, из которых состоит все во Вселенной. Когда физики пробиваются все глубже и глубже в структуру природы, они обнаруживают — то, что сначала казалось очень простым, оказывается сложным, а сложное может оказаться простым. Их средства — это высокоэнергичные сталкивающиеся атомные частицы, которые могут разбивать частицы на все более мелкие фрагменты.

Фейнман: Когда мы собираемся начать исследование, мы вглядываемся в материю и видим много различных явлений — ветер и волны, луну и многое другое. И мы пытаемся их упорядочить. Похоже ли движение ветра на движение волн? Постепенно мы понимаем, что многие явления схожи. Нет такого большого разнообразия, как мы думали. Мы получаем все явления и все принципы, лежащие в их основе. Кажется, один из самых полезных принципов — это мысль, что одни вещи делаются из других вещей. Мы обнаружили, например, что вся материя состоит из атомов, и тогда поведение любого большого куска материи обусловлено свойствами атомов. Сначала атомы предполагались простыми, но потом выяснилось, что для того, чтобы объяснить все разнообразие явлений и свойств материи, атомы должны быть более сложными, и что всего их 92. На самом деле их гораздо больше, так как у них разные атомные веса. Следующая проблема — понять разнообразие свойств атомов. Если предположить, что сами атомы состоят из составляющих — из ядра, вокруг которого движутся электроны, — и что все различие атомов состоит в разном количестве электронов, получается очень красивая унифицированная система, которая работает.

Все различные атомы устроены одинаково, но обладают разным числом электронов. Однако ядра отличаются друг от друга. Итак, мы начинаем изучать ядра. Их найдено огромное разнообразие с тех пор, как начались эксперименты по столкновению ядер — опыты Резерфорда и многие другие. Во-первых, начиная с 1914 года, когда ядра были открыты, оказалось, что их природа очень сложна. Это можно понять, если представить, что ядра тоже состоят из составляющих — протонов и нейтронов. Они взаимодействуют с некоторой силой, которая удерживает их вместе. Чтобы понять ядра, нужно немного лучше познакомиться с силами. Кстати, в случае атомов тоже существуют силы; это электрические силы, которые мы уже поняли. Но кроме электронов, существуют также электрические силы, которые можно представить световыми фотонами. Свет и электрическая сила объединяются в одной частице — фотоне. Электроны и фотоны существуют вне ядерного мира, то есть вне ядра. Теория поведения электронов — это квантовая электродинамика, за разработку этой теории я, собственно, и получил Нобелевскую премию.

Обратимся теперь к ядрам. Они состоят из протонов и нейтронов, их связывают между собой странные силы.

Следующая проблема — попытка понять, что это за силы. На роль переносчиков этих сил предлагались различные частицы, например мезоны, предсказанные Юкавой [38] Хидеки Юкава (1907–1981) — лауреат Нобелевской премии по физике за предсказание существования мезонов. — Примеч. ред. иностр. издания. . Мы провели эксперименты по столкновению нейтронов и протонов высоких энергий и получили новые явления — когда мы сталкиваем электроны высоких энергий, возникают фотоны. Мы увидели, что при столкновении нейтронов и протонов возникают новые частицы. Это были мезоны. Получалось, что Юкава был прав. Мы продолжали эксперимент. И тогда произошло следующее: мы получили невероятное разнообразие частиц; не просто типа фотона, мы столкнули вместе фотоны, нейтроны и другие частицы и получили свыше 400 частиц разного вида — лямбда-частицы и сигма-частицы — все они были различны. И π-мезоны, и К-мезоны, и много других частиц. Кстати, мы также получили мюоны, но они не имели ничего общего с нейтронами и протонами. По крайней мере не больше, чем электроны. Существовала странная дополнительная частица, и мы не понимали, каково ее место. Она похожа на электрон, только тяжелее. По крайней мере мы нашли электрон и мюон, которые не взаимодействуют сильно с другими частицами. Те, другие частицы мы назвали сильно взаимодействующими частицами, или адронами. К ним относятся нейтроны, протоны и все прочие частицы, образующиеся при их столкновениях. Следующая проблема — представить свойства всех этих частиц в некотором организованном порядке. Это великая игра, и все мы в нее вовлечены. Она называется физикой высоких энергий, или физикой фундаментальных частиц. Обычно ее называют физикой фундаментальных частиц, но никто не верит, что 400 различных составляющих фундаментальны. Другая возможность состоит в том, что они сами составлены из более глубоко спрятанных составляющих. И кажется, для этого есть разумное основание. Выяснилось, что и теорию их можно разработать — это теория кварков; эти частицы, как и протон, и нейтрон, состоят из объектов, названных кварками (нейтрон и протон построены из трех кварков).

Диктор: Никто и никогда еще не видел кварков — это плохо, поскольку они могут представлять фундаментальные строительные блоки для более сложных атомов и молекул, из которых состоит Вселенная. Имя «кварк» выбрал без каких-либо особенных причин коллега доктора Фейнмана, Мюррей Гелл-Манн, несколько лет назад. К удивлению доктора Гелл-Манна, ирландский писатель Джеймс Джойс уже предвидел это название в своей книге «Поминки по Финнегану». Ключевая фраза состояла из слов: «три кварка для новобранца Марка». Как объяснил доктор Фейнман, это было даже больше, чем совпадение, так как кварки, которые входили в частицы Вселенной, группировались в ряде известных частиц по три. Исследуя кварки, ученые сталкивали протоны и нейтроны при очень высоких энергиях, надеясь, что в процессе столкновения они распадутся на свои кварковые компоненты.

Фейнман: Все верно, но одно из положений, поддерживающих теорию кварков, явно нелепо, поскольку, если все построено из кварков, при столкновении двух протонов мы должны иногда наблюдать три кварка. Оказалось, что в модели кварков, о которой мы говорим, кварки переносят очень специфические электрические заряды. Все известные нам частицы обладают целым зарядом. Обычно существует электрический заряд плюс (позитрон, протон) или минус (электрон, мюон), и ничего другого. Но теория кварков требует, чтобы кварки переносили заряды минус одна треть или плюс две трети от электрического заряда протона. И если такие частицы существуют, очевидно, они образуют меньше пузырьков в пузырьковой камере. Смотрите, если ваш заряд равен одной трети, выходит, вдоль трека он может «захватить» одну девятую пузырьков (эффект пропорционален квадрату заряда) по сравнению с обычной частицей. Если вы увидите незначительно прорисованный трек — значит, тут что-то не в порядке. И вы ищете и ищете подобный след — и не находите его. Это одна из серьезнейших проблем. Это потрясает. Мы на правильном пути или блуждаем вокруг да около в потемках? Ответ где-то здесь, или мы чувствуем, что он совсем близко, и не можем ухватиться за него? Если мы получим ответ, то сразу поймем, почему эксперимент такой необычный.