Джон Гриббин – В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность (страница 26)
О зоопарке частиц написаны целые книги, а занимаясь таксономией частиц, многие физики выстроили свою карьеру. Но мне кажется, что в таком изобилии частиц не может быть ничего фундаментального и ситуация напоминает ситуацию в спектроскопии до развития квантовой теории, когда спектроскописты могли измерить и каталогизировать взаимосвязи линий в разных спектрах, но при этом не догадывались о глубинных причинах наблюдаемых взаимосвязей. Базовые правила для создания множества известных частиц должно было обеспечить нечто более фундаментальное, и в 1950-х годах Эйнштейн объяснил это своему биографу Абрахаму Пайсу. «Было ясно: он чувствовал, что еще не настало время разбираться с этим и что эти частицы в итоге станут решениями уравнений
единой теории поля»37. Тридцать лет спустя окажется, что Эйнштейн был прав, и наброски возможной единой теории, которая включает в себя зоопарк частиц, будут описаны в эпилоге. Сейчас же важно отметить, что великий подъем физики частиц, начавшийся в 1940-х годах, берет свое начало в развитии квантовой теории Дираком - в первых рецептах из квантовой кулинарной книги.
Внутри ядра
После того как квантовая механика триумфально объяснила поведение атомов, физики естественным образом обратились к ядерной физике, однако, несмотря на многочисленные практические успехи (включая ядерные реакторы и водородную бомбу), мы до сих пор не понимаем поведение ядра настолько же хорошо, как поведение атома. Это, впрочем, не должно удивлять. Радиус ядра в 100 тысяч раз меньше, чем радиус атома, а поскольку объем пропорционален кубу радиуса, то атом по сути в тысячу миллионов миллионов (1015) раз больше ядра. Можно измерить простые свойства вроде массы и заряда ядра, и эти измерения ведут к концепции изотопов - ядер, обладающих тем же числом протонов, а потому образующих атомы с тем же числом электронов (и теми же химическими свойствами), но другим числом нейтронов, а следовательно, и другой массой.
Так как все протоны, формирующие ядро, заряжены положительно, а потому отталкиваются друг от друга, их должен удерживать вместе некий сильный «клей» - сила, действующая только на очень коротких расстояниях, соответствующих размеру ядра, которая называется сильным ядерным взаимодействием (существует также и слабое ядерное взаимодействие, которое слабее электрической силы, но играет значительную роль в некоторых ядерных реакциях). Похоже, что нейтроны тоже играют роль в стабильности ядра, поскольку, лишь посчитав количество протонов и нейтронов в стабильном ядре, физики создают картину, очень напоминающую оболочечное расположение электронов вокруг ядра. Самое большое число протонов, обнаруженное во встречающемся в естественных условиях ядре, составляет 92 - в уране. Хотя физики преуспели в создании ядер, содержащих до 106 протонов, они нестабильны (за исключением некоторых изотопов плутония с атомным числом 94) и распадаются на другие ядра. Всего существует около 260 известных стабильных ядер. Наше знание об этих ядрах даже сегодня кажется менее адекватным, чем модель Бора в качестве описания атома, но явно видны признаки того, что в ядре есть определенная структура.
Ядра с 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126 нуклонами (нейтронами или протонами) особенно
Неуловимый Бог. С. 8.
стабильны, и соответствующие им элементы встречаются в природе чаще, чем атомы с несколько иным числом нуклонов, поэтому эти числа иногда называют «магическими». Но в структуре ядра доминируют протоны, и для каждого элемента существует только ограниченное количество возможных изотопов, соответствующих различному количеству нейтронов - возможное количество нейтронов обычно немного превосходит количество протонов и увеличивается для тяжелых элементов. Ядра, обладающие магическим числом и протонов, и нейтронов, особенно стабильны, и на этом основании теоретики предполагают, что сверхтяжелые элементы, в ядре которых содержится около 114 протонов и 184 нейтронов, должны быть стабильны, но такие огромные ядра никогда не обнаруживались в природе и не создавались в ускорителях частиц посредством добавления нуклонов к самым массивным ядрам, встречающимся в природе.
Самое стабильное ядро из всех принадлежит железу-56, и более легкие ядра «хотят» увеличить количество нуклонов и стать железом, в то время как более тяжелые ядра «хотят» избавиться от нуклонов и приблизиться к наиболее стабильной форме. Внутри звезд самые легкие ядра водорода и гелия превращаются в более тяжелые через серию ядерных реакций, которые синтезируют легкие ядра вместе, на пути к железу формируя элементы вроде углерода и кислорода и высвобождая в результате этого энергию. Когда некоторые из звезд взрываются в качестве сверхновых, в ядерные процессы проникает огромное количество гравитационной энергии, и в результате на железе синтез не останавливается, и возникают более тяжелые элементы, включая уран и плутоний. Когда тяжелые элементы возвращаются к самой стабильной форме, высвобождая нуклоны в форме альфа-частиц, электронов, позитронов или отдельных нейтронов, они тоже испускают энергию, которая по сути является аккумулированной энергией давно состоявшегося взрыва сверхновой. Альфа-частица по сути представляет собой ядро атома гелия и состоит из двух протонов и двух нейтронов. Высвобождая такую частицу, ядро сокращает свою массу на четыре единицы, а атомный номер - на две. Это происходит в соответствии с принципами квантовой механики и законами неопределенности, открытыми Гейзенбергом.
Внутри ядра нуклоны сдерживаются сильным ядерным взаимодействием, но если альфа-частица находится рядом с ядром, она будет сильно отталкиваться электрической силой. Совокупный эффект двух сил создает то, что физики называют «потенциальной ямой». Представьте себе разрез вулкана с пологими склонами и глубоким кратером. Мяч, размещенный сразу за границей кратера, скатится вниз по склону горы, а мяч, размещенный внутри кратера, упадет вниз, в сердце вулкана. Нуклоны внутри ядра находятся в подобном положении - они расположены в яме в центре атома, но если они пересекут «границу» - хотя бы слегка, - они «укатятся прочь» под действием электрической силы. Суть в том, что в соответствии с классической механикой нуклоны (или группы нуклонов вроде альфа-частицы) просто не обладают достаточным количеством энергии, чтобы выбраться из ямы и пересечь границу - а если бы обладали, они бы не оказались в этой яме. Однако квантово-механическое представление этой ситуации довольно сильно отличается. Хотя потенциальная яма все равно создает барьер, он не является непреодолимым, и существует определенная, хотя и маленькая, вероятность того, что альфа-частица может на самом деле оказаться за пределами ядра, а не внутри него. Если говорить о неопределенности, одно из соотношений Гейзенберга включает в себя энергию и время и утверждает, что энергия любой частицы может определяться только в диапазоне AE в период времени At , при этом AE x At должно быть больше h. На короткое время частица может «заимствовать» энергию из закона неопределенности, набирая достаточное количество энергии, чтобы перепрыгнуть через потенциальный барьер, а затем отдавать ее назад. Возвращаясь к «должному» энергетическому состоянию, она находится уже снаружи барьера, а не внутри него, и устремляется дальше.
I
Расстояние от центра ядра
а;
Е -
Также на это можно посмотреть с позиции неопределенности положения. Частица, которая «должна быть» внутри барьера, оказывается снаружи него, потому что в квантовой механике ее положение определяется лишь в общих чертах. Чем большей энергией обладает частица, тем проще ей выбраться, но она
квантовую природу38. На этом основан радиоактивный распад, но чтобы объяснить деление атомного ядра, необходимо переключиться на другую модель ядра атома.
Теперь забудьте об отдельных нуклонах в оболочках и представьте ядро в качестве капли жидкости. Капля воды принимает разные формы, и точно так же некоторые общие свойства ядра можно объяснить его изменяющейся формой. Можно представить, что большое ядро выгибается в разные стороны, то становясь похожим на сферу, то на гантель. Если такому ядру придать энергии, колебания могут стать столь существенными, что ядро распадется надвое, сформировав два меньших по размеру ядра и разбрызгав вокруг крошечные капли - альфа- и бета-частицы и нейтроны. В некоторых ядрах такой распад может быть запущен столкновением быстро двигающегося нейтрона с ядром, после чего запускается цепная реакция, в процессе которой каждое ядро, разделенное таким образом, выпускает достаточное количество нейтронов, чтобы произошел распад еще как минимум двух соседних ядер. В случае с ураном-235, который содержит 92 протона и 143 нейтрона, всегда создаются два неравных ядра с атомными числами в диапазоне от 34 до 58, в сумме дающими 92, и испускаются свободные нейтроны. В результате каждого распада