Название: Концепции современного естествознания

Жанр: Культурология

Рейтинг:

Просмотров: 2463

4.8. перспективы развития физики микромира

Развитие теории

Новейшие достижения физики элементарных частиц явно выделили из общего их числа группу частиц – возможных кандидатов на роль истинно элементарных. Многие вопросы, однако, требуют дальнейшего исследования. Неизвестно, каково полное число лептонов, кварков и различных векторных частиц и существуют ли физические принципы, его определяющие. Не вполне ясны причины деления частиц со спином 1/2 на лептоны и кварки и происхождение их внутренних квантовых чисел.

Современные теории исходят из того, что частицы являются точечными объектами и что четырехмерное пространство-время остается непрерывным и неискривленным вплоть до самых малых расстояний. В действительности указанные предположения, по-видимому, неверны, так как частицы, очевидно, должны быть материальными объектами конечной протяженности, а пространство-время в масштабах 10-33 см меняет свои свойства под действием гравитации и образует нечто вроде квантов. Учет этих обстоятельств открывает путь к созданию единой теории взаимодействия.

Современные ускорители

Полученные в ускорителе управляемые пучки быстрых частиц оказались единственным подходящим инструментом для операций внутри атомов иатомных ядер, для исследования специфики и структуры ядерных частиц. Но для этого нужна энергия в десятки, сотни и даже тысячи ГэВ (гигаэлектрон-вольт; 1 ГэВ = 109 эВ). Так что отнюдь не случайно область фундаментальных исследований строения материи называется физикой высоких энергий. Если бы ускорители, рассчитанные на высокие энергии, делались по принципу телевизионной трубки линейными, то, как показывают расчеты, их размеры достигали бы многих сотен километров. Поэтому ускоритель как бы сворачивают в кольцо, заставляя частицы многократно проходить участки, где действует ускоряющее электрическое поле. Чем выше энергия частиц, тем труднее завернуть их, пустить по круговой траектории, тем более сильные заворачивающие магнитные поля нужны для этого. Кроме того, одноименно заряженные частицы в пучке взаимно отталкиваются, и рассеиваются на остатках атмосферы в вакуумной трубе ускорителя. Поэтому наряду с поворачивающими магнитами нужны и магниты фокусирующие, сжимающие частицы в тонкий пучок. Максимальная энергия современных ускорителей ограничивается разумным пределом размеров и стоимости именно магнитной системы, наиболее громоздкой и дорогостоящей.

Сформированный ускорителем пучок частиц (обычно это электроны или примерно в 2000 раз более тяжелые протоны) направляют на специально подобранную, исходя из задач эксперимента, мишень, при соударении с которой рождается множество разнообразных вторичных частиц. С помощью достаточно сложных систем – детекторов – эти частицы регистрируют, определяют их массу, электрический заряд, скорость и многие другие характеристики. Затем путем сложной математической обработки этой информации на ЭВМ восстанавливают траекторию движения и всю картину взаимодействия ускоренной частицы с веществом мишени. И, наконец, сопоставляя результаты измерений с предварительным расчетом, делают выводы о параметрах теоретической модели взаимодействия. Именно здесь и добывается новое знание о свойствах внутриядерных частиц. Очень может быть, что именно знания, которые даст нам физика высоких энергий, позволят создать новую энергетику – энергетику XXI в., которая положит конец тотальному уничтожению ресурсов нашей планеты.

Вместо неподвижной мишени можно использовать и встречный ускоренный пучок частиц. Это позволяет при соответствующей компоновке ускорителей гораздо эффективнее использовать энергию их пучков. Такие самые современные ускорители на встречных пучках называют коллайдерами. В мире пока всего несколько коллайдеров. Они находятся в США, Японии, Германии, а также в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), базирующейся в Швейцарии. Наша страна много лет также была среди лидеров в разработке и строительстве ускорителей и соответственно в физике высоких энергий. Так, в частности, были в свое время «мировыми рекордсменами» по энергии ускоренных протонов и по своим размерам построенный в 1956 г. синхрофазотрон в Дубне (энергия 10 ГэВ, длина орбиты частиц около 200 м, вес кольцевого электромагнита 40 тыс. т), а затем – построенный в 1967 г. синхротрон в городе Протвино близ Серпухова (энергия 70 ГэВ, длина орбиты 1,5 км, вес электромагнита 22 тыс. т). С помощью этих устройств был получен целый ряд фундаментальных результатов и сделано несколько открытий. Были, например, впервые зарегистрированы ядра антивещества и обнаружен так называемый «серпуховский эффект» – возрастание полных сечений адронных взаимодействий (величин, определяющих ход реакции двух сталкивающихся частиц) и многое другое.

Ускоритель У-70 Института физики высоких энергий в Протвино поныне остается крупнейшим в России. На нем проводят исследования физики из многих лабораторий нашей страны и стран СНГ, выполняется ряд совместных с Западом физических программ. В ходе его реконструкции для начальной стадии ускорения был установлен первый в мире линейный ускоритель с высокочастотной фокусировкой, без магнитов, а также введен в действие «промежуточный» синхротрон на энергию 1,5 ГэВ диаметром 30 м. В результате этой модернизации интенсивность протонного пучка (грубо говоря, количество частиц в пучке) была усилена на порядок, что позволило даже после появления за рубежом более мощных ускорителей сохранить интерес физиков к отечественной исследовательской программе. Одновременно был разработан проект нового ускорителя УНК (ускорительно-накопительный комплекс), который на долгое время мог стать наиболее мощным в мире и привлечь лучшие силы мирового физического общества. Уже в 1983 г., после принятия соответствующего правительственного решения, в Протвино начались работы по сооружению УНК, который в итоге должен был обеспечивать энергию 3000 ГэВ – это втрое превышает энергию наиболее мощного сейчас в мире ускорителя лаборатории имени Э. Ферми (ФНАЛ) в США.

Для УНК прорыли кольцевой тоннель длиной 21 км и диаметром около 5 м (по размерам он сопоставим с кольцевой линией московского метро). В нем планировали установить сверхпроводящие магниты, которые уже прошли испытания. Однако с распадом СССР хозяйственные связи прервались, и завод в Усть-Каменогорске, где производили сверхпроводник, оказался заграничным. Было решено пустить первую очередь новой установки, используя обычные магниты, что обеспечит энергию 600 ГэВ (ее назвали У-600). Для этого необходимо установить по кольцу более двух тысяч магнитов весом около 10 т каждый, что оценивается примерно в 150 млн. долларов и составляет лишь малую часть от уже вложенных средств. В 1997 г. руководители Минатома предложили форсировать работы и завершить их за три года.

Лет через десять будет завершено сооружение самого крупного в мире ускорителя заряженных частиц – большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider – LHC) в Женеве, в 27-километровом подземном тоннеле на границе между Швейцарией и Францией. Физики надеются, что при немыслимых сегодня энергиях сталкивающихся частиц (порядка 10 трлн. электрон-вольт) можно будет наконец-то получить недостающие пока сведения о глубинных механизмах их взаимодействия внутри ядра и выстроить непротиворечивую картину мироздания. Кроме того, новые знания непременно дадут новые пути для утоления «энергетических аппетитов» человечества без тотального уничтожения земных ресурсов – задача необходимая и благородная.

Россия, в понимании европейских ученых, имеет уникальную научно-техническую культуру, значение которой в общем мировом процессе познания трудно переоценить. Снижение ее уровня, а тем более ее утрата была бы тяжким ударом по прогрессу человечества, и поэтому сотрудничество с российскими учеными обязано продолжаться и укрепляться на пользу обеим сторонам.

В программе LHC российская физика будет представлена вполне достойно. Речь идет не только о сооружении самого ускорителя на сверхпроводящих магнитах, но и о создании грандиозной экспериментальной техники. Ускоритель сам по себе – это только «локомотив» научного поиска, а весь «полезный груз» доставляют детекторы частиц и излучений. На большом ускорителе и размеры детекторов поражают воображение. Один из них – самый крупный, названный проектировщиками АТЛАС, – представляет собой размещенный под землей цилиндр длиной 26 и диаметром 20 м, общим весом 7 тыс. т, со сложнейшей аппаратурой.

При создании детектора АТЛАС и для проведения экспериментов на нем сложилась международная команда в полторы тысячи человек из трех десятков стран. И дело здесь не только в масштабах установки. Новая физика отличается от прежней сильнее, чем заводской конвейер от кустарной мастерской. Достаточно сказать, что АТЛАС станет выдавать поток данных, эквивалентный информации, циркулирующей сегодня во всех европейских компьютерных сетях.

Согласно одному из греческих мифов, Атлас был титаном, которому пришлось в наказание за непослушание богам Олимпа удерживать небосвод на своих плечах. Продолжая параллель, можно сказать, что женевский АТЛАС призван укрепить и поддержать своими мощными усилиями все здание современной физики. Но это не наказание, а плод совместного творчества множества ученых из многих стран и основа благополучного существования всех тех людей, которые далеки от науки, но пользуются ее плодами.

Структурная нейтронография

Стремясь проникнуть в глубь вещества и изучить его структуру, исследователи создавали все более эффективные инструменты и методы. На смену оптическому микроскопу пришел электронный микроскоп с несравненно более высоким разрешением. Рентгеноструктурный анализ позволил «увидеть» форму атомной решетки кристалла и даже проследить за ее изменениями под действием внешних условий например, при изменении температуры и давления. Сравнительно недавно были созданы, развиты и усовершенствованы новые методы изучения вещества, основанные на рассеянии в нем нейтронов.

Нейтрон, как и любая другая частица, одновременно обладает и свойствами волны. Поэтому поток нейтронов можно рассматривать как очень коротковолновое излучение (характерная длина волны – порядка 0,03 нм, или 0,3 ангстрема). Проходя через вещество, нейтроны испытывают дифракцию – рассеяние на отдельных атомах, при котором из начального пучка частиц возникают дополнительные отклоненные потоки. Их направление и интенсивность зависят от строения рассеивающего объекта. В кристалле, например, можно выделить набор правильных атомных слоев – кристаллографических плоскостей, при отражении от которых потоки нейтронов меняют интенсивность. Максимумы интенсивности возникают в направлениях, где на разности путей двух отраженных пучков укладывается целое число их волн. Это условие рассеяния волн кристаллом было обнаружено в 1913г. английским физиком У.Л. Брэггом (1890–1971) и советским Г.В. Вульфом (1863–1925) для рентгеновского излучения; оно справедливо и для любых других волн. Измеряя углы рассеяния нейтронов, можно воссоздать атомную структуру вещества.

За основополагающие работы по исследованию законов рассеяния нейтронов и за создание принципиально новых методов исследования жидкостей и твердых тел – структурной нейтронографии – Королевская Академия наук Швеции присудила в 1994 г. Нобелевскую премию по физике американскому физику Клифорду Шаллу и канадскому исследователю Бертрому Брокгаузу.

Структурная нейтронография позволяет проследить за поведением каждого атома. На рис. 4.4 показана проекция упругого рассеяния нейтронов в кристалле КН2РО4 вблизи водородной связи О–Н–О. Видны два атома кислорода (сплошные линии) и два атома водорода (пунктирные линии). Расстояние между ними при комнатной температуре (293К) – порядка 10-12 см (рис. 4.4,а). Понижение температуры до 77 К вызвало фазовый переход, при котором один атом водорода приблизился к атому кислорода на 0,37 · 10-12 см (рис. 4.4,б).

Рис. 4.4. Картина упругого рассеяния нейтронов при

комнатной (а) и низкой (б) температурах

Нейтронография – одно из крупнейших достижений ядерной физики последнего времени. Она отрывает широкие возможности микроскопических исследований многообразных не только физических, о и химических, и биологических объектов. Такое многогранное применение нейтронографии, по сути физического метода, свидетельствует о тесной взаимосвязи различных отраслей современного естествонания: физики, химии, биологии.