Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

• Название: Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы
• Автор: Марк Перельман
• Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-397-02592-8

Все мы знакомы с открытиями, ставшими заметными вехами на пути понимания человеком законов окружающего мира: начиная с догадки Архимеда о величине силы, действующей на погруженное в жидкость тело, и заканчивая новейшими теориями скрытых размерностей пространства-времени.

Но как были сделаны эти открытия? Почему именно в свое время? Почему именно теми, кого мы сейчас считаем первооткрывателями? И что делать тому, кто хочет не только понять, как устроено все вокруг, но и узнать, каким путем человечество пришло к современной картине мира? Книга, которую вы держите в руках, поможет прикоснуться к тайне гениальных прозрений.

Рассказы «Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы» написаны человеком неравнодушным, любящим и знающим физику, искренне восхищающимся ее красотой. Поэтому книга не просто захватывает — она позволяет почувствовать себя посвященными в великую тайну. Вместе с автором вы будете восхищаться красотой мироздания и удивляться неожиданным озарениям, которые помогли эту красоту раскрыть.

Первая часть книги, «От Аристотеля до Николы Теслы», расскажет о пути развития науки, начиная с утверждения Аристотеля «Природа не терпит пустоты» и эпициклов Птолемея, и до гелиоцентрической системы Коперника и Галилея и великих уравнений Максвелла. Читатель проделает этот огромный путь рука об руку с гениями, жившими задолго до нас.

«От кванта до темной материи» — вторая часть книги. Она рассказывает о вещах, которые мы не можем увидеть, не можем понять с точки зрения обыденной, бытовой ЛОГИКИ' о принципе относительности, замедлении времени, квантовании энергии, принципе неопределенности, черных дырах и темной материи. История загадочной, сложной и увлекательной современной физики раскроется перед читателем.

Итак, вперед — совершать открытия вместе с гениями!

---

Большую камеру Глэзер построил на жидком водороде при температуре -246 °C в 1953 г. На ней были зафиксированы новые типы реакций, не поддававшихся ранее наблюдению, и удалось получить о них в тысячи раз большую информацию.

Отметим, что после получения Нобелевской премии Глэзер заинтересовался приложением физики к молекулярной биологии и начал изучать микробиологию. Он исследовал эволюцию бактерий, регуляцию клеточного роста, канцерогенные вещества и генетические мутации. При этом он разработал компьютеризованную сканирующую систему, которая автоматически идентифицирует виды бактерий с помощью тех методов анализа фотографий, которые используются при работе на пузырьковых камерах.

* * *

В следующем типе приборов используются другие физические принципы — это искровые камеры: между двух горизонтальных пластин, на которые подается напряжение, близкое к пробойному, находится газ. Когда через эту систему проходит заряженная частица, то по ее следу, иногда даже закрученному в спираль, происходит пробой, пробегает как бы микромолния, которая сама включает фотокамеру и себя снимает[49].

В такой камере можно поместить много пластин, а еще лучше поместить в нее систему проволочек и рассматривать далее разряды и возникающие электрические поля. Такая система, если сигналы передаются прямо на компьютер, может анализировать трехмерную и быстроменяющуюся картину взаимодействий и вспышек, всего до миллиона событий в секунду — множество резонансов и частиц, о которых мы будем потом говорить, — а для этого нужно было придумать и осуществить системы световодов, счетчиков фотонов и т. д. и т. п.[50] Для сравнения заметим, что в пузырьковой камере можно было зафиксировать и визуализировать (от латинского «визуз» — зрение) не более двух событий в секунду.

4. Ускоритель Кокрофта — Уолтона

Джон Кокрофт (1897–1967) и Эрнест Уолтон (р. 1903) работали в лаборатории Резерфорда. Кокрофт вместе с П. Л. Капицей разрабатывал мощные магниты и решил применить их для ускорения альфа-частиц, любимого им и в то время единственного оружия для проникновения в атомное ядро — именно при бомбардировке ими удалось ранее превратить атомы азота в атомы кислорода.

Но поскольку альфа-частицы, как и ядра, положительно заряжены, т. е. взаимно отталкиваются, то для их столкновения нужно увеличить энергию альфа-частиц или же увеличить интенсивность их потока (вероятность столкновения будет очень мала, но не равна нулю при любой энергии).

Для преодоления ядерного барьера требуется энергия альфа-частиц в несколько миллионов эВ, что в то время было абсолютно недостижимо. Но тут Кокрофт прочитал в 1928 г. статью Г. Гамова о том, что, поскольку альфа-частицы обладают волновыми свойствами, некоторые из них могут покинуть ядра, туннелировать сквозь барьер, хотя, согласно классической теории, это невозможно.

Вероятно, полагал Гамов, некоторые альфа-частицы даже малой энергии могут покинуть ядра, но для их обнаружения нужно исследовать очень большое число ядер. Когда Гамов посетил Кавендишскую лабораторию, Кокрофт расспросил его о возможности обратного процесса, о том, могут ли альфа-частицы малой энергии проникнуть в ядро, несмотря на силы отталкивания. Гамов подсчитал, что такие случаи можно обнаружить, если направить на ядро достаточно большое число альфа-частиц.

И тогда Кокрофт и Уолтон разработали установку, способную подавать напряжение всего лишь в 600 киловольт к трубке, содержащей водород. С помощью этой установки они в апреле 1932 г. бомбардировали литий ядрами водорода, протонами. «Почти сразу же, — вспоминал потом Кокрофт, — при энергии в 125 киловольт доктор Уолтон увидел ядерную сцинтилляцию, характерную для альфа-частиц». На этой установке они превратили литий и водород в два атома гелия, став, тем самым, первыми учеными, которым удалось искусственно расщепить атом.

Поскольку число высокоэнергичных альфа-частиц в пучке было мало, то только одна из каждых десяти миллионов частиц, направленных на легкие атомы вроде лития и бора, расщепляла ядро и высвобождала энергию. Однако именно их достижения послужили экспериментальным подтверждением теории туннелирования Гамова и показали, что количество энергии, освобождающейся при превращениях атомов, точно соответствует основному уравнению теории относительности Эйнштейна: Е = mс2.

Создание ускорителя и полученные результаты были увенчаны Нобелевской премией по физике 1951 г.

5. Эрнест Лоуренс

Первой значительной работой Эрнеста О. Лоуренса (1901–1958, Нобелевская премия 1939 г.), о которой нужно рассказать, является экспериментальная демонстрация принципа неопределенности Гейзенберга. Согласно этому принципу, измерение энергии, например, фотона, становится тем неопределеннее, чем короче время измерения. Так как энергия фотонов, согласно М. Планку, пропорциональна частоте света, то неопределенность в энергии сводится к неопределенности в частоте. Линия в оптическом спектре в действительности представляет собой узкую, но четкую и хорошо определенную полосу световых частот. Включая и очень быстро выключая свет во время измерения частоты спектральной линии, Лоуренс показал, что линия расширяется. Источник света не претерпевал никаких изменений, хотя его частота становилась менее определенной, как и следовало из принципа неопределенности Гейзенберга.

Но затем Лоуренс обратился к ядерной физике. Ему было ясно, что для дальнейших исследований нужны ускорители: радий, излучением которого пользовался Резерфорд, был дорогим и редким элементом, альфа-частицы вылетали из источника по всем направлениям, число наблюдаемых столкновений было чрезвычайно мало, а наблюдения трудоемкими. В линейных ускорителях из-за высокого напряжения должна была часто пробиваться изоляция…

И тут помог случай. В 1929 г. Лоуренсу попалась на глаза статья Рольфа Видерое, в которой рассматривалась схема ускорителя частиц, предложенная ранее Густавом А. Изингом (1883–1960). Изинг в 1925 г. предложил использовать синхронное (от греческого — совпадение во времени) включение относительно небольшого разгоняющего напряжения при появлении частиц в нужном месте, а Видерое построил первый вариант такого линейного ускорителя. Кроме того, он рассмотрел некоторые возможности циклического ускорителя с заворотом электронов на круговые орбиты магнитным полем (поскольку сила Лорентца всегда перпендикулярна к скорости заряда, она может быть только центростремительной).

Статья эта была на немецком, которого Лоуренс практически не знал, но в ней были вполне ясные картинки! Он понял по ним, что траекторию частиц можно изогнуть в окружность и ускорять их отдельными «толчками», а для этого вовсе не нужно громадное напряжение. И при этом очень существенно то, что частицы всегда описывают полную окружность за одно и то же время — независимо от скорости.

В 1930 г. он приступил к расчетам и постройке первого циклотрона (от греческого «циклос» — круговой). Именно с его созданием обычно связывают имя Лоуренса.

Циклотрон представляет собой круглый полый диск — как бы плоскую консервную банку, разделенную по диаметру на две половины в форме латинской буквы В (они называются дуантами, от латинского «дуо» — два). Диск помещен между плоскими полюсами большого магнита, в зазоре между дуантами создается переменное напряжение. Когда заряженная частица, например протон, попадает в зазор, она притягивается к дуанту с отрицательным напряжением и набирает скорость при проходе через зазор. Внутри дуанта частица описывает в магнитном поле полуокружность с постоянной по величине скоростью и выходит из него в точке, диаметрально противоположной входу. К этому времени знак напряжения изменяется, и протон устремляется к другому дуанту, ставшему теперь отрицательным, притягивается им и добавочно ускоряется напряжением, приложенным к зазору. Поэтому во втором дуанте он движется по дуге окружности большего радиуса, чем прежде.

Так протон как бы «подталкивается» при каждом проходе через зазор и движется со все возрастающей скоростью по дугам окружностей все большего радиуса (с ростом скорости растет его масса движения) пока не достигнет наружной стенки диска. Тогда протон вылетает из циклотрона на выбранную мишень. Дуанты изготовляются из немагнитного материала, в камере должен быть глубокий вакуум, чем больше размер дуантов и чем крупнее и мощнее магниты, тем выше будет энергия разгоняемых частиц.

Создание циклотрона открыло перед физиками обширное новое поле исследований. Бомбардировка атомов многих элементов позволила расщепить их ядра на фрагменты, которые оказались изотопами, часто радиоактивными. Циклотрон использовался и для измерения энергий связи многих ядер, и (путем сравнения величин разности масс до и после ядерной реакции) для проверки соотношения Эйнштейна между массой и энергией.