Артур Уиггинс - Пять нерешенных проблем науки

• Название: Пять нерешенных проблем науки
• Автор: Артур Уиггинс
• Издательство: ФАИР- ПРЕСС
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2005
• ISBN: 5-8183-0843-Х (рус.) 0-471-26808-9 (англ.)

Американские ученые Артур Уиггинс и Чарлз Уинн просто, подробно и с юмором рассказывают о крупнейших проблемах науки, над решением которых бьются ученые всего мира.

Астрономия. Почему Вселенная расширяется, а скорость расширения постоянно возрастает?

Физика. Почему одни частицы обладают массой, а другие — нет?

Химия. Какие химические реакции подтолкнули атомы к образованию первых живых существ?

Биология. Каково полное устройство и предназначение протеома?

Геология. Возможен ли точный долговременный прогноз погоды?

Авторы знакомят с событиями, поставившими данные проблемы, обсуждают существующие теории, среди которых теории струн, хаоса, генома человека и укладки белков, дают возможность читателям принять участие в размышлениях над предложенными идеями.

Книга рассказывает о крупнейших проблемах астрономии, физики, химии, биологии и геологии, над которыми сейчас работают ученые. Авторы рассматривают открытия, приведшие к этим проблемам, знакомят с работой по их решению, обсуждают новые теории, в том числе теории струн, хаоса, генома человека и укладки белков. Для широкого круга читателей.

Рисунки Сидни Харриса

---

Теоретически ничто не может помешать антипротонам соединиться с антинейтронами для образования антиядер, а антиэлектронам примкнуть к этим антиядрам с образованием антиатомов. И действительно, в 1995 году в Европейской лаборатории физики элементарных частиц возглавляемому немецким физиком Вальтером Олертом коллективу ученых удалось получить девять атомов антиводорода. Только не подумайте, что эти антиатомы устроили переполох в лаборатории. Ввиду подавляющего перевеса обычного вещества девять атомов антиводорода не продержались и сорок миллиардных секунды.

Научная фантастика привлекает огромное количество антивещества, особенно в качестве топлива для космических кораблей. Наибольшая трудность в создании движителя на основе антивещества сопряжена с его хранением и радиоактивным загрязнением. Как бы ни бились инженеры над созданием космических кораблей, работающих на основе антивещества, встает вопрос о безопасности, поскольку один грамм аннигилирующего вещества (антивещества) выделяет энергию, сравнимую с энергией сброшенной в 1945 году на Японию атомной бомбы.

Не существуют ли где-то в далекой галактике или даже в Млечном Пути залежи антивещества? В конце концов, если бы единственной связью с этими галактиками для нас служили излучаемые ими световые фотоны, мы оставались бы в неведении. Фотон — сам себе античастица, так что мы не могли бы отличить обыкновенные галактики от галактик из антивещества, поскольку от тех и других исходили бы фотоны. Все это верно, однако постоянно обрушивающиеся на нас космические лучи содержат не одни фотоны, только никакого неведомого антивещества там нет. Кроме того, в случае протон — антипротонной аннигиляции на краю антигалактики излучался бы свет определенной частоты. Такого света пока не наблюдалось. Похоже, что Вселенная почти целиком состоит из обычного вещества.

Однако отсутствие антивещества порождает другую трудность. Если населяемая нами Вселенная симметрична, то при «большом взрыве» должно было появиться одинаковое количество вещества и антивещества, и они бы полностью взаимно уничтожились. Некому тогда было бы обсуждать этот вопрос. Куда же делось антивещество? Согласно одной теории, возникла антивселенная, которая где-то затерялась, возможно на одной из «бран» из М — теории (см. гл. 2).

Недавние опыты указывают на асимметрию в скорости распада некоторых видов вещества и антивещества. Мезоны, двухкварковые частицы, нестабильны, и поэтому их нет в обычном веществе. Лишь разновидность мезонов — К-мезон был тщательно изучен. Различную скорость распада у К-мезона и антиК-мезона обнаружила в 1957 году физик из Колумбийского университета By Цзяньсюн. В 2001 году опыты на ускорителях в Стэнфордском университете и в японском академгородке Цукуба [расположенном в 35 км к северо-востоку от Токио] выявили асимметрию в распаде В-мезонов и антиВ-мезонов, где антиВ-мезоны распадались чуть быстрее. Величина асимметрии будет уточняться по мере получения данных в ходе этих долгосрочных исследований.

Если антивещество распадается быстрее обычного вещества, такое положение можно уподобить сражению миллионного войска с миллионным антивойском. Если каждый воин будет убивать одного неприятеля, то к концу сражения останется один воин. Вещество и антивещество взаимно уничтожатся, но благодаря крохотному превышению обычное вещество возобладает. Если такой подход верен, можно представить, сколько вещества было до великой аннигиляции.

Предсказанные стандартной моделью величины нарушения симметрии в скорости распада слишком малы, чтобы получилось наблюдаемое ныне во Вселенной количество вещества, но тут готова предложить свои услуги более юная М-теория.

Для более подробного ознакомления с проблемой см. статью: Sarah Graham «Explore: In Search of Antimatter» (Scientific American. 2001. August 20), размещенную во Всемирной Паутине по адресу: http://physicsweb.org/article/news/5/3/l/l

2. Ускорители

Как видно из названия, ускоритель разгоняет медленно движущиеся частицы. Частицы с более высокими скоростями обладают более высокой энергией, так что физика высоких энергии развивалась совместно с ускорителями частиц. Польза от частиц высоких энергий стала очевидной, когда американский физик Карл Андерсон обнаружил античастицу электрона — позитрон — среди следов, оставляемых в диффузионной камере после бомбардировки космическими лучами. Поскольку космические лучи приходят к нам, обладая различной энергией, отовсюду и когда им заблагорассудится, для проведения систематических опытов над элементарными частицами требовался более надежный источник частиц высокой энергии.

Линейные ускорители разгоняют заряженные частицы в электромагнитном поле по прямой, подобно тому как разгоняют электроны в электронно-лучевых трубках телевизионных приемников. Мишень устанавливают в конце пути частицы, а датчики, чувствительные к оставленным продуктами столкновения частиц следам, регистрируют последствия столкновения. Для получения все более высоких энергий требуется постоянно увеличивать длину ускорителей. Стэнфордский центр линейного ускорителя с туннелем длиной 3,2 км (2 мили) разгоняет электроны (или позитроны) посредством обычной электромагнитной волны, подобно микроволновой печи. Для более подробного ознакомления см. узел Всемирной Паутины www. slac. stanford. еdu.

Другая разновидность ускорителя — круговой. Первый круговой ускоритель был изобретен американским физиком Эрнестом Лоуренсом и получил название «циклотрон». В 1928 году Калифорнийский университет в Беркли переманил к себе из Иельского университета 27-летнего Лоуренса, намериваясь создать у себя наряду с химическим столь же крепкое физическое отделение. На следующий год Лоуренсу, внуку норвежских переселенцев, довелось просматривать один немецкий электротехнический журнал. Он увидел наброски устройства, предлагаемого норвежским инженером Ролфом Видероэ для разгона зарядов двойным пропусканием их через ускоряющее поле, изменяя направление поля таким образом, что заряды получали двойную энергию. Поначалу огромные технические трудности отпугивали Лоуренса. Однако, не желая отставать в гонке за высокими энергиями, в начале 1930 года он поручает создание такого устройства аспиранту Стэнли Ливингстону. К январю 1931 года Лоуренс и Ливингстон располагали работающим макетом циклотрона (рис. I.2) с поперечником 4,5 дюйма [1 дюйм = 2,54 см], разгонявшим ионы водорода до энергии 80 тыс. электронвольт (эВ). В 1939 году Лоуренс получил Нобелевскую премию за изобретение циклотрона. В 1940 году в США насчитывалось 22 готовых или строящихся циклотрона, и более 11 — за границей.

Вторая мировая война замедлила поступь циклотронов. Но стоило ей отгреметь, как новшества позволили существенно нарастить мощь установок. Появился синхротрон, где изменением магнитного поля частицы разгонялись по орбитам с неизменным радиусом. Это позволяло уменьшить пространство, где поддерживался вакуум, и тем самым упрощалось управление пучком.

Затем стали удерживать частицы на круговой орбите, компенсируя потери на излучение. Это обеспечивало так называемое накопительное кольцо. Наконец поставили два таких кольца, так что пучки частиц направляли друг на друга. Такое перекрестное расположение накопительных колец позволило получить много важнейших сведений об элементарных частицах. В Соединенных Штатах крупнейший ускоритель принадлежит Национальной лаборатории высокоэнергетических исследований имени Энрико Ферми (FNAL) в Батавии (штат Иллинойс), близ Чикаго. Созданная в 1968 году лаборатория располагает самым мощным в мире ускорителем частиц «Tevatron», способным обеспечивать встречные пучки энергией порядка 0,980 трлн эВ (ТэВ): разгоняющихся по часовой стрелке протонов и против часовой стрелки — антипротонов. Протон — антипротонное столкновение в точках взаимодействия частиц создает энергию 1,96 ТэВ.

Рис. I.2. Эрнест Лоуренс с макетом циклотрона

Для более подробного ознакомления с проблемой см. узел Всемирной Паутины www.fnal.gov Фундаментальными изысканиями занят CERN (Европейская организация по ядерным исследованиям), расположенный на границе Франции и Швейцарии. CERN располагает десятью ускорителями. Там ведут исследования ученые 80 национальностей из 500 университетов. Более подробные сведения о CERN'e см. на узле Всемирной Паутины http://public.web. сет. ch/Public.

Крупнейший ускоритель в CERN'e, электрон-позитронный коллайдер (LEP) имел самую длинную в мире траекторию разгона пучка 27 км. LEP теперь в прошлом; его тоннель переоборудуется для использования уже в качестве большого адронного коллайдера (LHC), где протоны будут сталкиваться с протонами при энергии 7 ТэВ. Со вступлением в строй в 2005 году он станет крупнейшим в мире.

Для более подробного ознакомления с LHC см. узел Всемирной Паутины http://lhc-new- homepage. web. cern. ch/lhc-new-homepage/.