|
Содержание
Предисловие
Представленная вашему вниманию книга посвящена некоторым магистральным направлениям современной микрофизики. Эту область науки еще иногда называют физикой элементарных частиц или физикой высоких энергий. Цель микрофизики — исследование структуры и свойств элементарных частиц, а также взаимодействий между ними. Не боясь погрешить против истины, можно сказать, что микрофизика выступает в роли фундамента всего современного естествознания, ведь она рассматривает вопрос о том, как устроена материя. Вообще говоря, эта проблема — одна из древнейших в истории науки. Более 2000 лет назад в древней Греции уже существовало два альтернативных взгляда на природу материи. Сторонники одного направления (Левкипп, Демокрит, Эпикур) утверждали, что нет ничего, кроме атомов и пустоты, в которой они движутся. Атомы — это мельчайшие неделимые частицы, вечные и неизменные, пребывающие в постоянном движении и различающиеся формой и величиной. Сторонники другого направления (Аристотель и его последовали) придерживались мнения, что вещество можно делить бесконечно. Поразительно, но наука начала использовать атомистиче-скую гипотезу только в начале XIX в., когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 1830-е гг. в рамках теории электролиза, разработанной М. Фарадеем, был измерен элементарный заряд. В конце XIX в. последовала целая лавина открытий в области физики микромира. Вот лишь некоторых из них: ● обнаружение явления радиоактивности (1896 г., А. Беккерель); ● открытие электрона (1897 г., Дж. Дж. Томсон); ● исследование радиоактивного распада и открытие новых химических элементов — радия и полония (1898 г., М. Склодовская-Кюри и П. Кюри); ● установление сложного состава радиоактивного излучения (1899 г., Э. Резерфорд и его сотрудники) и др. Кратко «пробежимся» по важнейшим событиям в физике ядра и элементарных частиц, произошедших в начале XX в. В результате серии экспериментов (1906–1911 гг.), выполненных Э. Резерфордом и его коллегами, было подтверждено существование атомного ядра. В 1919 г. Э. Резерфордом была обнаружена положительно заряженная частица ядра — протон, а в 1932 г. его ученик Дж. Чед¬вик экспериментально открыл нейтрон. Вскоре после этого Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра (1932 г.). В том же году в космических лучах был открыт позитрон (К. Андерсон) — положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 г. Он же показал, что при встрече позитрона с электроном обе частицы должны исчезать (или, как говорят, аннигилировать), породив фотоны большой энергии. Может происходить и обратный процесс — рождение электронно-позитронной пары. Таким образом, наиболее важной особенностью элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям, они могут, как исчезать (аннигилировать), так и рождаться. В 1937 г. в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами. Затем в 1947–1950 гг. были открыты пионы, которые, по современным представлениям, осуществляют взаимодействие между нуклонами в ядре. В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций. В настоящее время элементарными называют частицы, которые на современном уровне знаний не состоят из более простых частиц. Еще недавно к ним относились нуклоны (барионы), лептоны, мезоны и фотоны. Сейчас известно, что адроны (барионы и мезоны), в свою очередь, состоят из кварков и антикварков, имеющих дробный электрический заряд. Именно они вместе с лептонами считаются элементарными. В 1930-е гг. возникла гипотеза о том, что в мире элементарных частиц взаимодействия осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля (И. Е. Тамм, Д. Д. Иваненко). Так, например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, возникает вследствие обмена фотонами — квантами электромагнитного поля. Теория обменного взаимодействия получила признание после того, как в 1935 г. японский физик Х. Юкава теоретически показал, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов может быть объяснено, если предположить, что нуклоны обмениваются гипотетическими частицами, получившими название мезонов. Х. Юкава вычислил массу этих частиц, которая оказалась приблизительно равной 300 электронным массам. Частицы с такой массой были впоследствии действительно обнаружены. В 1957 г. было теоретически предсказано существование тяжелых частиц, так называемых векторных бозонов W+, W– и Z0, обуславливающих обменный механизм слабого взаимодействия. Эти частицы были обнаружены в 1983 г. в экспериментах на ускорителе на встречных пучках протонов и антипротонов с высокой энергией. Открытие векторных бозонов ознаменовало успех теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое так называемое электрослабое взаимодействие. Кроме того, впоследствии была разработана теоретическая модель, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимо-действия (так называемая Стандартная модель). Постепенно у ученых возросла уверенность в том, что все виды фундаментальных взаимодействий тесно связаны между собой и, по существу, являются проявлениями различных квантовых полей. Однако объединение всех взаимодействий остается пока лишь привлекательной научной гипотезой. За более чем вековой период исследований было проведено огромное количество экспериментов, направленных на поиск элементарных частиц и описание взаимодействий между ними. Физика микромира развивается настолько стремительно, что даже специалисты (мы имеем в виду, в первую очередь, учителей физики), не могут справиться с потоком новых открытий в области микрофизики. Более того, в силу использования сложного математического аппарата (теории групп, квантовой теории поля) современная физика микромира становится все менее понятной людям, интересующимся вопросами природы и устройства материи. Еще Аристотель отмечал, что чем глубже мы постигаем природу, тем дальше уходим от ее непосредственного чувственного восприятия. За прошедшие две с лишним тысячи лет это положение только усугубилось. Не следует ли тогда вообще отказаться от популяризации микрофизики, предоставив ее профессионалам, физической элите? История физики свидетельствует, что такая ситуация возникала, и причем не однажды. Она была всегда характерна для периодов, когда наука находилась на переломном этапе, а сейчас в микрофизике создалось именно такое положение. Например, экспериментальное обнаружение бозона Хиггса (2012 г.), подтвердило современную Стандартную модель, но и показало ее ограничения и необходимость поиска новых явлений, или новой физики за пределами Стандартной модели. Эта новая физика может привести к пересмотру наших представлений о строении материи, столь же радикальному, как это было в период юности квантовой механики. Так можем ли мы лишать наших детей и внуков удовольствия ощутить, в какой период они живут, только потому, что нам очень трудно изложить им ряд теоретических идей? Как утверждал А. Эйнштейн, «каждый интеллигентный человек, даже неспециалист, может глубоко вникнуть в современные физические проблемы». На наш взгляд, следует попытаться найти такие объяснения основных положений микрофизики, которые будут понятны даже старшеклассникам, изучающих физику на углубленном уровне. На страницах книги мы расскажем вам об увлекательной истории физических открытий и изобретений в физике микромира, о ее многогранных связях с другими научными направлениями (прежде всего, космологией), с техникой и инновационным научным приборостроением (например, коллайдер LHC, термоядерный реактор ITER). Несколько слов мы бы хотели адресовать будущим и практикующим учителям физики. Мы надеемся, что представленные материалы дадут вам сведения, которые можно использовать в преподавании школьного курса физики, при проведении проектной и учебно-исследовательской деятельности по физике с учетом ее современных достижений. При подготовке к учебным проектам обратите внимание, что в содержании книги можно условно выделить следующие три крупных раздела. ● Теоретические аспекты современной микрофизики (главы 1, 5). ● Инструменты современной микрофизики. Большой адронный коллайдер (главы 2–4). ● Современная микрофизика и другие области науки и техники (главы 6–8). При изучении материала вам встретится текст, на который следует при чтении обратить внимание. Он выделен курсивом. Это могут быть новые термины, названия теорий, отдельные выводы или ключевые идеи. В конце пособия приведен именной и предметный указатели, которые помогут вам найти в книге необходимые определения, понятия, фамилии ученых. Желаем вам успехов!
Об авторах
 Ильин Вадим Алексеевич Доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей и экспериментальной физики Института физики, технологии и информационных систем (ИФТИС) МПГУ. Радиофизик, автор более 400 научных работ по физике и методике ее преподавания, в том числе более 100 — по истории физики.
 Кудрявцев Василий Владимирович Доктор физико-математических наук, кандидат педагогических наук, профессор кафедры общей и экспериментальной физики Института физики, технологии и информационных систем (ИФТИС) МПГУ. Автор свыше 100 научных работ, в том числе 40 — по истории физики.
 Смирнова Лидия Николаевна Доктор физико-математических наук, профессор. Специалист по физике атомного ядра и элементарных частиц, профессор кафедры общей ядерной физики физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, заслуженный научный сотрудник МГУ. Участник эксперимента ATLAS и открытия бозона Хиггса. Соавтор более 1000 научных публикаций.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||