Razdvajanje jezgri atoma različitih elemenata trenutno se koristi prilično široko. Sve nuklearne elektrane rade na reakciji fisije; princip rada svih nuklearnih oružja temelji se na toj reakciji. U slučaju kontrolirane ili lančane reakcije, atom, nakon što se podijelio na dijelove, više se ne može spojiti i vratiti u svoje prvobitno stanje. Ali, korištenjem principa i zakona kvantna mehanika Znanstvenici su uspjeli razdvojiti atom na dvije polovice i ponovno ih spojiti bez narušavanja integriteta samog atoma.
Znanstvenici sa Sveučilišta u Bonnu koristili su se principom kvantne nesigurnosti, koji omogućuje postojanje objekata u nekoliko stanja odjednom. U eksperimentu, uz pomoć nekih fizičkih trikova, znanstvenici su natjerali jedan atom da postoji na dva mjesta odjednom, udaljenost između njih bila je malo veća od jedne stotinke milimetra, što je na atomskoj skali jednostavno ogromna udaljenost .
Takvi kvantni efekti mogu se pojaviti samo pri ekstremno niskim temperaturama. Atom cezija ohlađen je laserskim svjetlom na temperaturu od jedne desetine milijuntog dijela stupnja iznad apsolutne nule. Ohlađeni atom je zatim optički zarobljen snopom svjetlosti drugog lasera.
Poznato je da se jezgra atoma može okretati u jednom od dva smjera; ovisno o smjeru rotacije, lasersko svjetlo gura jezgru udesno ili ulijevo. “Ali atom, u određenom kvantnom stanju, može imati “podvojenu osobnost”, jedna njegova polovica se okreće u jednom smjeru, druga u suprotnom smjeru, ali, u isto vrijeme, atom je još uvijek cijeli objekt, ”, kaže fizičar Andreas Steffen. Tako se jezgra atoma, čiji se dijelovi okreću u suprotnim smjerovima, može razdvojiti laserskom zrakom na dva dijela i ti dijelovi atoma mogu se odvojiti na znatnu udaljenost, što su znanstvenici uspjeli postići tijekom svog eksperimenta .
Znanstvenici tvrde da je sličnom metodom moguće stvoriti takozvane “kvantne mostove”, koji su vodiči kvantnih informacija. Atom tvari je podijeljen na polovice, koje se razmaknu dok ne dođu u dodir sa susjednim atomima. Formira se nešto poput površine ceste, raspon koji spaja dva stupa mosta, po kojem se mogu prenositi informacije. To je moguće zbog činjenice da atom podijeljen na ovaj način nastavlja ostati jedinstvena cjelina na kvantnoj razini zbog činjenice da su dijelovi atoma isprepleteni na kvantnoj razini.
Znanstvenici sa Sveučilišta u Bonnu koristit će takvu tehnologiju za simulaciju i stvaranje kompleksa kvantni sustavi. "Za nas je atom poput dobro podmazanog zupčanika", kaže dr. Andrea Alberti, voditelj tima. "Koristeći mnoge od ovih zupčanika, možete stvoriti kvantni računalni uređaj sa karakteristikama koje daleko nadmašuju one najnaprednijih računala. Samo trebate znati pravilno postaviti i povezati te zupčanike."
6. Svijet subatomskih čestica
Razdvajanje atoma
Često se kaže da postoje dvije vrste znanosti – velike i male znanosti. Rastavljanje atoma je velika znanost. Ima ogromnu eksperimentalne instalacije, kolosalni proračuni i primanja lavlji udio Nobelove nagrade.
Zašto su fizičari morali razdvojiti atom? Jednostavan odgovor - razumjeti kako atom radi - sadrži samo dio istine, ali postoji i općenitiji razlog. Nije sasvim ispravno govoriti doslovno o cijepanju atoma. Zapravo govorimo o o sudaru čestica visoke energije. U sudaru subatomske čestice krećući se velikim brzinama, rađa se novi svijet interakcija i polja. Fragmenti materije koji nose ogromnu energiju, raspršujući se nakon sudara, kriju tajne prirode, koje su od “stvaranja svijeta” ostale zakopane u dubinama atoma.
Instalacije u kojima se sudaraju čestice visoke energije - akceleratori čestica - zadivljuju svojom veličinom i cijenom. Dosežu nekoliko kilometara u promjeru, zbog čega čak i laboratoriji koji proučavaju sudare čestica izgledaju maleni u usporedbi s njima. U drugim područjima znanstveno istraživanje oprema se nalazi u laboratoriju; u fizici visokih energija, laboratoriji su priključeni na akcelerator. Nedavno je Europski centar za nuklearna istraživanja (CERN), koji se nalazi u blizini Ženeve, izdvojio nekoliko stotina milijuna dolara za izgradnju prstenastog akceleratora. Opseg tunela koji se gradi u tu svrhu doseže 27 km. Akcelerator nazvan LEP (Large Electron-Positron ring) dizajniran je za ubrzavanje elektrona i njihovih antičestica (pozitrona) do brzina koje su samo za dlaku udaljene od brzine svjetlosti. Da biste dobili predodžbu o razmjeru energije, zamislite da se umjesto elektrona, novčić penija ubrzava do te brzine. Na kraju ciklusa ubrzanja imao bi dovoljno energije za proizvodnju električne energije u vrijednosti od 1000 milijuna dolara! Nije iznenađujuće da se takvi eksperimenti obično klasificiraju kao fizika "visokih energija". Krećući se jedni prema drugima unutar prstena, snopovi elektrona i pozitrona doživljavaju frontalne sudare, u kojima elektroni i pozitroni anihiliraju, oslobađajući energiju dovoljnu za proizvodnju desetaka drugih čestica.
Koje su to čestice? Neki od njih su sami "građevni blokovi" od kojih smo izgrađeni: protoni i neutroni koji čine atomske jezgre i elektroni koji kruže oko jezgri. Ostale čestice obično nema u materiji oko nas: životni vijek im je iznimno kratak, a nakon isteka raspadaju se na obične čestice. Broj vrsta takvih nestabilnih kratkotrajnih čestica je nevjerojatan: nekoliko stotina ih je već poznato. Poput zvijezda, nestabilne čestice su previše brojne da bi se identificirale imenom. Mnogi od njih označeni su samo grčkim slovima, a neki samo brojevima.
Važno je imati na umu da sve te brojne i raznolike nestabilne čestice nipošto nisu doslovno komponente protoni, neutroni ili elektroni. Prilikom sudara elektroni i pozitroni visoke energije ne raspršuju se u mnogo subatomskih fragmenata. Čak iu sudarima visokoenergetskih protona, koji se očito sastoje od drugih objekata (kvarkova), oni se u pravilu ne cijepaju na svoje sastavne dijelove u uobičajenom smislu. Ono što se događa u takvim sudarima bolje je promatrati kao izravno stvaranje novih čestica iz energije sudara.
Prije dvadesetak godina fizičari su bili potpuno zbunjeni brojem i raznolikošću novih subatomskih čestica kojima se činilo da nema kraja. Bilo je nemoguće razumjeti Za što toliko čestica. Možda su elementarne čestice poput stanovnika zoološkog vrta, s implicitnom obiteljskom pripadnošću, ali bez jasne taksonomije. Ili možda, kako su vjerovali neki optimisti, elementarne čestice drže ključ svemira? Što su čestice koje fizičari promatraju: beznačajni i nasumični fragmenti materije ili obrisi nejasno percipiranog reda koji izranjaju pred našim očima, ukazujući na postojanje bogate i složene strukture subnuklearnog svijeta? Sada nema sumnje u postojanje takve strukture. U mikrosvijetu postoji duboki i racionalni poredak i počinjemo shvaćati značenje svih tih čestica.
Prvi korak prema razumijevanju mikrosvijeta učinjen je kao rezultat sistematizacije svih poznatih čestica, kao iu 18. stoljeću. biolozi su sastavili detaljne kataloge biljnih i životinjskih vrsta. Najvažnije karakteristike subatomskih čestica uključuju masu, električni naboj i spin.
Budući da su masa i težina povezane, čestice velike mase često se nazivaju "teškima". Einsteinova relacija E =mc^ 2 pokazuje da masa čestice ovisi o njezinoj energiji, a time i o njezinoj brzini. Čestica u gibanju je teža od čestice u mirovanju. Kada govore o masi čestice, to i misle masa mirovanja, budući da ta masa ne ovisi o stanju gibanja. Čestica s nultom masom mirovanja giba se brzinom svjetlosti. Najočitiji primjer čestice s nultom masom mirovanja je foton. Vjeruje se da je elektron najlakša čestica s masom mirovanja različitom od nule. Proton i neutron su gotovo 2000 puta teži, dok je najteža čestica stvorena u laboratoriju (Z čestica) oko 200 000 puta veća od mase elektrona.
Električni naboj čestica varira u prilično uskom rasponu, ali, kao što smo primijetili, uvijek je višekratnik osnovne jedinice naboja. Neke čestice, poput fotona i neutrina, nemaju električni naboj. Ako se uzme da je naboj pozitivno nabijenog protona +1, tada je naboj elektrona -1.
U pogl. 2 uveli smo još jednu karakteristiku čestica - spin. Također uvijek uzima vrijednosti koje su višekratnici neke temeljne jedinice, koja je iz povijesnih razloga odabrana da bude 1 /2. Dakle, proton, neutron i elektron imaju spin 1/2, a spin fotona je 1. Poznate su i čestice sa spinom 0, 3/2 i 2. Fundamentalne čestice sa spinom većim od 2 nisu otkrivene, a teoretičari vjeruju da čestice s takvim spinovima ne postoje.
Spin čestice je važna karakteristika, a ovisno o njegovoj vrijednosti sve se čestice dijele u dvije klase. Čestice sa spinom 0, 1 i 2 nazivaju se "bozoni" - prema indijskom fizičaru Chatyendranathu Boseu, a čestice s polucijelim spinom (tj. sa spinom 1/2 ili 3/2 - "fermioni" u čast Enrica Fermija. Pripadnost jednoj od te dvije klase vjerojatno je najvažnija u popisu karakteristika čestice.
Druga važna karakteristika čestice je njezin životni vijek. Donedavno se vjerovalo da su elektroni, protoni, fotoni i neutrini apsolutno stabilni, tj. imaju beskrajno dug vijek trajanja. Neutron ostaje stabilan dok je "zaključan" u jezgri, ali slobodni neutron se raspada za oko 15 minuta. Sve ostale poznate čestice u najviši stupanj su nestabilni, njihov vijek trajanja je od nekoliko mikrosekundi do 10-23 s. Takvi vremenski intervali čine se nepojmljivo malima, no ne treba zaboraviti da čestica koja leti brzinom bliskom brzini svjetlosti (a većina čestica rođenih u akceleratorima kreće se upravo takvim brzinama) u mikrosekundi uspije preletjeti udaljenost od 300 m.
Nestabilne čestice prolaze kroz raspad, što je kvantni proces, pa stoga u raspadu uvijek postoji element nepredvidivosti. Životni vijek određene čestice ne može se unaprijed predvidjeti. Na temelju statističkih razmatranja može se predvidjeti samo prosječni životni vijek. Obično se govori o poluživotu čestice - vremenu tijekom kojeg se populacija identičnih čestica smanji za pola. Eksperiment pokazuje da se smanjenje veličine populacije događa eksponencijalno (vidi sliku 6), a vrijeme poluraspada iznosi 0,693 prosječnog vremena života.
Fizičarima nije dovoljno znati da ova ili ona čestica postoji - oni nastoje razumjeti koja je njena uloga. Odgovor na ovo pitanje ovisi o gore navedenim svojstvima čestica, kao io prirodi sila koje na česticu djeluju izvana i iznutra. Prije svega, svojstva čestice određena su njezinom sposobnošću (ili nesposobnošću) da sudjeluje u jakim međudjelovanjima. Čestice koje sudjeluju u jakim međudjelovanjima čine posebnu klasu i nazivaju se androni.Čestice koje sudjeluju u slabim međudjelovanjima i ne sudjeluju u jakim međudjelovanjima nazivamo leptoni,što znači "pluća". Pogledajmo ukratko svaku od ovih obitelji.
Leptoni
Najpoznatiji od leptona je elektron. Kao i svi leptoni, čini se da je elementarni, točkasti objekt. Koliko je poznato, elektron nema unutarnju strukturu, tj. ne sastoji se od drugih čestica. Iako leptoni mogu ili ne moraju imati električni naboj, svi oni imaju isti spin 1/2, stoga se klasificiraju kao fermioni.
Drugi dobro poznati lepton, ali bez naboja, je neutrino. Kao što je već spomenuto u pogl. 2, neutrini su neuhvatljivi poput duhova. Budući da neutrini ne sudjeluju ni u jakim ni u elektromagnetskim interakcijama, oni gotovo u potpunosti zanemaruju materiju, prodiru kroz nju kao da je uopće nema. Velika moć prodora neutrina dugo vremena vrlo otežala eksperimentalnu potvrdu njihova postojanja. Tek gotovo tri desetljeća nakon što su neutrini predviđeni konačno su otkriveni u laboratoriju. Fizičari su morali čekati nastanak nuklearnih reaktora, pri čemu se emitira ogroman broj neutrina, a tek tada su uspjeli registrirati čeoni sudar jedne čestice s jezgrom i time dokazati da ona doista postoji. Danas je moguće izvesti mnogo više eksperimenata sa snopovima neutrina, koji nastaju raspadom čestica u akceleratoru i imaju potrebne karakteristike. Velika većina neutrina "ignorira" metu, ali s vremena na vrijeme neutrini ipak stupaju u interakciju s metom, što omogućuje dobivanje korisna informacija o strukturi drugih čestica i prirodi slabe interakcije. Naravno, provođenje eksperimenata s neutrinima, za razliku od eksperimenata s drugim subatomskim česticama, ne zahtijeva korištenje posebne zaštite. Prodorna moć neutrina je tolika da su potpuno bezopasni i prolaze kroz ljudsko tijelo ne uzrokujući mu ni najmanju štetu.
Unatoč svojoj neopipljivosti, neutrini zauzimaju poseban položaj među drugim poznatim česticama jer su najzastupljenije čestice u svemiru, brojčano nadmašujući elektrone i protone milijardu prema jedan. Svemir je u biti more neutrina, s povremenim uključcima u obliku atoma. Moguće je čak da ukupna masa neutrina premašuje ukupnu masu zvijezda, pa su neutrini ti koji daju glavni doprinos kozmičkoj gravitaciji. Prema grupi sovjetskih istraživača, neutrini imaju sićušnu, ali ne nultu masu mirovanja (manje od jedne desettisućitine mase elektrona); ako je to točno, onda gravitacijski neutrini dominiraju svemirom, što bi u budućnosti moglo uzrokovati njegov kolaps. Dakle, neutrini, na prvi pogled “najbezazlenije” i bestjelesne čestice, sposobni su izazvati kolaps cijelog Svemira.
Od ostalih leptona treba spomenuti mion, otkriven 1936. u produktima međudjelovanja kozmičkih zraka; pokazalo se da je to jedna od prvih poznatih nestabilnih subatomskih čestica. U svim pogledima osim stabilnosti, mion nalikuje elektronu: ima isti naboj i spin, sudjeluje u istim interakcijama, ali ima veću masu. U otprilike dvije milijuntinke sekunde mion se raspada na elektron i dva neutrina. Mioni su široko rasprostranjeni u prirodi i čine značajan dio pozadinskog kozmičkog zračenja koje se detektira na površini Zemlje Geigerovim brojačem.
Mnogo su godina elektron i mion ostali jedini poznati nabijeni leptoni. Zatim je, kasnih 1970-ih, otkriven treći nabijeni lepton, nazvan tau lepton. S masom od oko 3500 masa elektrona, tau lepton je očito "teškaš" od trojca nabijenih leptona, ali u svim ostalim aspektima ponaša se kao elektron i mion.
Ovaj popis poznatih leptona nipošto nije iscrpljen. U 60-ima je otkriveno da postoji nekoliko vrsta neutrina. Neutrini jedne vrste rađaju se zajedno s elektronom tijekom raspada neutrona, a neutrini druge vrste rađaju se tijekom rađanja miona. Svaki tip neutrina postoji u paru s vlastitim nabijenim leptonom; dakle, postoji "elektronski neutrino" i "mionski neutrino". Po svoj prilici trebala bi postojati i treća vrsta neutrina - koja prati rađanje tau leptona. U tom slučaju ukupan broj varijanti neutrina je tri, a ukupan broj leptona šest (tablica 1). Naravno, svaki lepton ima svoju antičesticu; stoga je ukupan broj različitih leptona dvanaest.
stol 1
Šest leptona odgovara nabijenim i neutralnim modifikacijama (antičestice nisu uključene u tablicu). Masa i naboj izraženi su jedinicama mase i naboja elektrona. Postoje dokazi da neutrini mogu imati malu masu
Hadroni
Za razliku od šačice poznatih leptona, postoje doslovno stotine hadrona. Samo to sugerira da hadroni nisu elementarne čestice, već su izgrađeni od manjih komponenti. Svi hadroni sudjeluju u jakim, slabim i gravitacijskim interakcijama, ali se nalaze u dvije varijante - električno nabijeni i neutralni. Među hadronima najpoznatiji i najrasprostranjeniji su neutron i proton. Preostali hadroni su kratkog vijeka i raspadaju se ili za manje od jednog milijuntog dijela sekunde zbog slabe interakcije, ili mnogo brže (u vremenu reda veličine 10-23 s) - zbog jake interakcije.
Pedesetih godina prošlog stoljeća fizičari su bili krajnje zbunjeni brojem i raznolikošću hadrona. Ali malo po malo, čestice su klasificirane prema tri važne karakteristike: masi, naboju i spinu. Postupno su se počeli pojavljivati znakovi reda i počela se nazirati jasna slika. Postoje naznake da se iza prividnog kaosa podataka kriju simetrije. Odlučujući korak u razotkrivanju misterija hadrona dogodio se 1963. godine, kada su Murray Gell-Mann i George Zweig s Kalifornijskog instituta za tehnologiju predložili teoriju kvarkova.
Sl.10 Hadroni su izgrađeni od kvarkova. Proton (vrh) se sastoji od dva gornja kvarka i jednog d kvarka. Svjetliji pion (dolje) je mezon, koji se sastoji od jednog u kvarka i jednog d antikvarka. Ostali hadroni su razne vrste kombinacija kvarkova.
Glavna ideja ove teorije je vrlo jednostavna. Svi hadroni sastoje se od manjih čestica koje se nazivaju kvarkovi. Kvarkovi se mogu međusobno povezati na jedan od dva moguća načina: ili u tripletima ili u parovima kvark-antikvark. Usporedno, tri kvarka se sastoje od teške čestice - barioni,što znači "teške čestice". Najpoznatiji barioni su neutron i proton. Lakši parovi kvark-antikvark tvore čestice tzv mezoni -"međučestice". Odabir ovog imena objašnjava se činjenicom da su prvi otkriveni mezoni zauzimali srednji položaj u masi između elektrona i protona. Kako bi uzeli u obzir sve tada poznate hadrone, Gell-Mann i Zweig uveli su tri različite vrste ("okusa") kvarkova, koji su dobili prilično otmjena imena: I(iz gore- Gornji), d(iz dolje - donji) i s (od čudno- čudno). Dopuštanjem mogućnosti raznih kombinacija okusa može se objasniti postojanje velikog broja hadrona. Na primjer, proton se sastoji od dva I- i jedan d-kvark (slika 10), a neutron se sastoji od dva d-kvarka i jednog u-kvarka.
Da bi teorija koju su predložili Gell-Mann i Zweig bila učinkovita, potrebno je pretpostaviti da kvarkovi nose frakcijski električni naboj. Drugim riječima, imaju naboj čija je vrijednost 1/3 ili 2/3 osnovne jedinice - naboja elektrona. Kombinacija dva i tri kvarka može imati ukupni naboj nula ili jedan. Svi kvarkovi imaju spin 1/2. stoga se klasificiraju kao fermioni. Mase kvarkova nisu određene tako točno kao mase drugih čestica, budući da je njihova energija vezanja u hadronu usporediva s masama samih kvarkova. Međutim, poznato je da je s-kvark teži I- i d-kvarkovi.
Unutar hadrona, kvarkovi mogu biti u pobuđenim stanjima, slično pobuđenim stanjima atoma, ali s puno višim energijama. Višak energije sadržan u pobuđenom hadronu toliko povećava njegovu masu da su prije nastanka teorije kvarkova fizičari pogrešno uzimali pobuđene hadrone za sasvim druge čestice. Sada je utvrđeno da su mnogi od naizgled različitih hadrona zapravo samo pobuđena stanja istog temeljnog skupa kvarkova.
Kao što je već spomenuto u pogl. 5, kvarkove drži zajedno jaka interakcija. Ali oni također sudjeluju u slabim interakcijama. Slaba interakcija može promijeniti okus kvarka. Tako dolazi do raspada neutrona. Jedan od d-kvarka u neutronu prelazi u u-kvark, a višak naboja odnosi elektron koji se pritom rađa. Slično, promjenom okusa, slaba interakcija dovodi do raspada drugih hadrona.
Postojanje s-kvarkova neophodno je za konstrukciju takozvanih "čudnih" čestica - teških hadrona, otkrivenih ranih 50-ih. Neobično ponašanje ovih čestica, koje je sugeriralo njihovo ime, bilo je to što se nisu mogle raspasti zbog jakih međudjelovanja, iako su i one same i njihovi produkti raspada bili hadroni. Fizičari se zbunjuju zašto, ako i matična i kći čestica pripadaju obitelji hadrona, jaka sila ne uzrokuje njihov raspad. Iz nekog razloga, ti su hadroni "preferirali" mnogo manje intenzivnu slabu interakciju. Zašto? Teorija kvarkova prirodno je riješila ovu misteriju. Jaka interakcija ne može promijeniti okus kvarkova - samo slaba interakcija to može učiniti. I to bez promjene okusa, praćene transformacijom s-kvarka u I- ili d-kvark, raspad je nemoguć.
U tablici Slika 2 prikazuje različite moguće kombinacije kvarkova s tri okusa i njihova imena (obično samo grčko slovo). Nisu prikazana brojna pobuđena stanja. Činjenica da se svi poznati hadroni mogu dobiti iz različitih kombinacija triju temeljnih čestica simbolizirala je glavni trijumf teorije kvarkova. No unatoč tom uspjehu, samo nekoliko godina kasnije bilo je moguće dobiti izravan fizički dokaz o postojanju kvarkova.
Ovaj dokaz je dobiven 1969. u nizu povijesnih eksperimenata provedenih na velikom linearnom akceleratoru u Stanfordu (Kalifornija, SAD) - SLAC. Stanfordski eksperimentatori zaključili su jednostavno. Ako u protonu doista postoje kvarkovi, tada se mogu uočiti sudari s tim česticama unutar protona. Sve što je potrebno je subnuklearni "projektil" koji bi se mogao usmjeriti izravno u dubinu protona. Beskorisno je koristiti drugi hadron za ovu svrhu, budući da ima iste dimenzije kao proton. Idealan projektil bio bi lepton, poput elektrona. Budući da elektron ne sudjeluje u jakoj interakciji, neće se “zaglaviti” u mediju kojeg tvore kvarkovi. U isto vrijeme, elektron može osjetiti prisutnost kvarkova zbog prisutnosti električnog naboja.
tablica 2 
Tri okusa kvarkova, u, d i s, odgovaraju nabojima +2/3, -1/3 i -1/3; spajaju se u tri da bi formirali osam bariona prikazanih u tablici. Parovi kvark-antikvark tvore mezone. (Neke kombinacije, poput sss, su izostavljene.)
U eksperimentu Stanford, akcelerator od tri kilometra u biti je djelovao kao divovski elektronski "mikroskop" koji je proizvodio slike unutrašnjosti protona. Konvencionalni elektronski mikroskop može razlikovati detalje manje od milijuntog dijela centimetra. Proton je, s druge strane, nekoliko desetaka milijuna puta manji i mogu ga "ispitati" samo elektroni ubrzani do energije od 2,1010 eV. U vrijeme pokusa na Stanfordu malo se fizičara pridržavalo pojednostavljene teorije kvarkova. Većina znanstvenika očekivala je da će elektrone skrenuti električni naboji protona, ali se pretpostavljalo da je naboj ravnomjerno raspoređen unutar protona. Kad bi to stvarno bilo tako, tada bi se uglavnom događalo slabo raspršenje elektrona, tj. Kada prolaze kroz protone, elektroni ne bi pretrpjeli jake otklone. Eksperiment je pokazao da se uzorak raspršenja jako razlikuje od očekivanog. Sve se dogodilo kao da su neki elektroni uletjeli u sitne čvrste inkluzije i odbili se od njih pod najnevjerojatnijim kutovima. Sada znamo da su takve čvrste inkluzije unutar protona kvarkovi.
Godine 1974. pojednostavljena verzija teorije kvarkova, koja je do tada već stekla priznanje među teoretičarima, dobila je osjetljiv udarac. U razmaku od nekoliko dana, dvije grupe američkih fizičara - jedna na Stanfordu predvođena Bartonom Richterom, druga u Nacionalnom laboratoriju Brookhaven pod vodstvom Samuela Tinga - neovisno su objavile otkriće novog hadrona, koji je nazvan psi čestica. Samo po sebi, otkriće novog hadrona teško da bi bilo posebno vrijedno pažnje da nije jedne okolnosti: činjenica je da u shemi koju predlaže teorija kvarkova nije bilo mjesta ni za jednu jedinu novu česticu. Sve moguće kombinacije up, d i s kvarkova i njihovih antikvarkova već su "potrošene". Od čega se sastoji psi čestica?
Problem je riješen okretanjem ideji koja je bila u zraku neko vrijeme: trebao bi postojati četvrti miris koji nitko prije nije primijetio. Novi miris je već dobio svoje ime - šarm (charm), odnosno s. Predloženo je da je psi čestica mezon koji se sastoji od c-kvarka i c-antikvarka (c), tj. cc. Budući da su antikvarkovi nositelji anti-arome, šarm psi čestice je neutraliziran, pa je stoga eksperimentalna potvrda postojanja nove arome (čar) morala čekati dok se ne otkriju mezoni, u kojima su šarm kvarkovi bili upareni s anti-kvarkampovima drugih okusa. Sada je poznat cijeli niz začaranih čestica. Svi su vrlo teški, pa se pokazalo da je šarm kvark teži od čudnog kvarka.
Gore opisana situacija ponovila se 1977. godine, kada je na scenu izašao tzv. ipsilon mezon (UPSILON). Ovaj put, bez puno oklijevanja, uveden je peti okus, nazvan b-quark (od bottom - bottom, a češće beauty - ljepota, odnosno šarm). Upsilon mezon je par kvark-antikvark sastavljen od b kvarkova i stoga ima skrivenu ljepotu; ali, kao u prethodnom slučaju, drugačija kombinacija kvarkova omogućila je konačno otkrivanje "ljepote".
Relativne mase kvarkova mogu se procijeniti barem prema činjenici da se najlakši mezon, pion, sastoji od parova I- a d-kvarkovi s antikvarkovima. Psi mezon je oko 27 puta, a ipsilon mezon je najmanje 75 puta teži od piona.
Postupno širenje popisa poznatih okusa događalo se paralelno s povećanjem broja leptona; pa je očito pitanje bilo hoće li ikada biti kraja. Kvarkovi su uvedeni kako bi se pojednostavio opis cjelokupne raznolikosti hadrona, ali čak i sada postoji osjećaj da popis čestica ponovno raste prebrzo.
Još od vremena Demokrita, temeljna ideja atomizma je bila spoznaja da, u dovoljno maloj mjeri, moraju postojati istinski elementarne čestice, čije kombinacije čine materiju oko nas. Atomizam je privlačan jer nedjeljive (po definiciji) temeljne čestice moraju postojati u vrlo ograničenom broju. Raznolikost prirode posljedica je velikog broja ne njezinih sastavnih dijelova, već njihovih kombinacija. Kada je otkriveno da postoji mnogo različitih atomskih jezgri, nestala je nada da ono što danas nazivamo atomima odgovara ideji starih Grka o elementarnim česticama materije. I premda se, prema tradiciji, i dalje govori o raznim kemijskim "elementima", poznato je da atomi uopće nisu elementarni, već se sastoje od protona, neutrona i elektrona. A budući da se broj kvarkova pokazao prevelikim, primamljivo je pretpostaviti da su i oni složeni sustavi koji se sastoje od manjih čestica.
Iako iz tog razloga postoji određeno nezadovoljstvo shemom kvarkova, većina fizičara smatra kvarkove istinski elementarnim česticama - točkastima, nedjeljivima i bez unutarnje strukture. U tom pogledu nalikuju peptonima i dugo se pretpostavljalo da mora postojati duboka veza između ove dvije različite, ali strukturno slične obitelji. Osnova za ovo gledište proizlazi iz usporedbe svojstava leptona i kvarkova (tablica 3). Leptoni se mogu grupirati u parove tako da se svaki nabijeni lepton poveže s odgovarajućim neutrinom. Kvarkovi se također mogu grupirati u parove. Stol 3 je sastavljen na takav način da struktura svake ćelije ponavlja onu koja se nalazi neposredno ispred nje. Na primjer, u drugoj ćeliji mion je predstavljen kao "teški elektron", a šarm i čudni kvarkovi predstavljeni su kao teške varijante I- i d-kvarkovi. Iz sljedećeg okvira možete vidjeti da je tau lepton još teži "elektron", a b kvark je teža verzija d kvarka. Za potpunu analogiju potreban nam je još jedan (tau-leptonij) neutrino i šesti okus kvarkova, koji je već dobio naziv pravi (istina, t). U vrijeme kada je ova knjiga nastajala, eksperimentalni dokazi o postojanju top kvarkova još nisu bili dovoljno uvjerljivi, a neki su fizičari sumnjali da top kvarkovi uopće postoje.
Tablica 3
Leptoni i kvarkovi prirodno se spajaju. kako je prikazano u tablici. Svijet oko nas sastoji se od prve četiri čestice. Ali sljedeće skupine, očito, ponavljaju gornju i sastoje se, u kruni neutrina, od izuzetno nestabilnih čestica.
Može li biti četvrti, peti itd. pare koje sadrže još teže čestice? Ako je tako, sljedeća generacija akceleratora vjerojatno će dati fizičarima priliku da otkriju takve čestice. Međutim, izraženo je zanimljivo razmatranje iz kojeg proizlazi da nema drugih parova osim navedena tri. Ovo se razmatranje temelji na broju tipova neutrina. To ćemo uskoro saznati u trenutku veliki prasak, koji je označio nastanak Svemira, došlo je do intenzivnog rađanja neutrina. Neka vrsta demokracije jamči svakoj vrsti čestica isti udio energije kao i ostalima; dakle, što više različite vrste neutrina, što je više energije sadržano u moru neutrina koji ispunjava svemir. Izračuni pokazuju da bi, kada bi postojalo više od tri vrste neutrina, gravitacija koju stvaraju svi oni imala snažan uznemirujući učinak na nuklearne procese koji su se dogodili u prvih nekoliko minuta života Svemira. Posljedično, iz ovih neizravnih razmatranja slijedi vrlo vjerojatan zaključak da tri para prikazana u tablici. 3, svi kvarkovi i leptoni koji postoje u prirodi su iscrpljeni.
Zanimljivo je primijetiti da se sva obična materija u Svemiru sastoji samo od dva najlakša leptona (elektron i elektronski neutrino) i dva najlakša kvarka ( I I d). Kad bi svi ostali leptoni i kvarkovi iznenada prestali postojati, tada bi se vrlo malo toga vjerojatno promijenilo u svijetu oko nas.
Možda teži kvarkovi i leptoni igraju ulogu svojevrsne rezerve za najlakše kvarkove i leptone. Svi oni su nestabilni i brzo se raspadaju na čestice koje se nalaze u gornjoj ćeliji. Na primjer, tau lepton i mion raspadaju se na elektrone, dok se neobične, šarmantne i lijepe čestice prilično brzo raspadaju na neutrone ili protone (u slučaju bariona) ili leptone (u slučaju mezona). Postavlja se pitanje: Za što Postoje li sve te čestice druge i treće generacije? Zašto ih je priroda trebala?
Čestice su nositelji međudjelovanja
Popis poznatih čestica nipošto nije iscrpljen sa šest parova leptona i kvarkova, koji čine građevni materijal materije. Neki od njih, poput fotona, nisu uključeni u krug kvarka. Čestice “ostavljene u moru” nisu “građevni blokovi svemira”, već čine neku vrstu “ljepila” koje ne dopušta da se svijet raspadne, tj. povezani su s četiri temeljne interakcije.
Sjećam se da su mi kao djetetu govorili da Mjesec uzrokuje podizanje i spuštanje oceana tijekom dnevne plime i oseke. Uvijek mi je bila misterija kako ocean će prepoznati, gdje se nalazi Mjesec, te prati njegovo kretanje na nebu. Kad sam u školi učio o gravitaciji, moja zbunjenost se samo pojačala. Kako Mjesec, nakon što je prešao četvrt milijuna kilometara praznog prostora, uspijeva "doći" do oceana? Standardni odgovor - Mjesec u tom praznom prostoru stvara gravitacijsko polje čije djelovanje dopire do oceana, pokrećući ga - naravno, imao je smisla, ali me ipak nije u potpunosti zadovoljio. Uostalom, ne možemo vidjeti Mjesečevo gravitacijsko polje. Možda samo tako kažu? Objašnjava li ovo stvarno nešto? Uvijek mi se činilo da mjesec mora nekako reći oceanu gdje se nalazi. Mora postojati neka vrsta razmjene signala između Mjeseca i oceana kako bi voda znala kamo se kretati.
S vremenom se pokazalo da ideja o sili koja se prenosi kroz prostor u obliku signala nije tako daleko od modernog pristupa ovom problemu. Da bismo razumjeli kako ova ideja nastaje, moramo detaljnije razmotriti prirodu polja sile. Kao primjer, odaberimo ne oceanske plime, već jednostavniji fenomen: dva elektrona se približavaju jedan drugome, a zatim se pod utjecajem elektrostatskog odbijanja razlijeću u različitim smjerovima. Fizičari taj proces nazivaju problemom raspršenja. Naravno, elektroni se ne guraju doslovno. Oni međusobno djeluju na daljinu, kroz elektromagnetsko polje koje stvara svaki elektron.
Slika 11. Raspršenje dviju nabijenih čestica. Putanje čestica su zakrivljene kako se približavaju jedna drugoj zbog djelovanja električnog odbijanja.
Nije teško zamisliti sliku raspršenja elektrona na elektron. U početku su elektroni razdvojeni velikom udaljenošću i malo utječu jedni na druge. Svaki se elektron giba gotovo pravocrtno (slika 11). Zatim, kako odbojne sile stupaju na scenu, putanje elektrona počinju se savijati dok se čestice ne približe što je moguće bliže; nakon toga, putanje se razilaze, a elektroni se razlijeću, ponovno se počinju kretati duž pravocrtnih, ali već divergirajućih putanja. Model ove vrste može se lako demonstrirati u laboratoriju korištenjem električno nabijenih kuglica umjesto elektrona. I opet se postavlja pitanje: kako čestica "zna" gdje se druga čestica nalazi, i sukladno tome mijenja svoje kretanje.
Iako je slika zakrivljenih putanja elektrona prilično vizualna, ona je potpuno neprikladna u nizu aspekata. Činjenica je da su elektroni kvantne čestice i da se njihovo ponašanje pokorava specifičnim zakonima kvantne fizike. Prije svega, elektroni se u prostoru ne kreću duž dobro definiranih putanja. I dalje možemo na ovaj ili onaj način odrediti početnu i završnu točku puta - prije i poslije rasipanja, ali sam put u intervalu između početka i kraja kretanja ostaje nepoznat i neizvjestan. Osim toga, intuitivna ideja o kontinuiranoj razmjeni energije i momenta između elektrona i polja, kao da ubrzava elektron, proturječi postojanju fotona. Energija i zamah se mogu prenijeti polje samo u dijelovima, odnosno kvantama. Dobit ćemo točniju sliku poremećaja koje polje unosi u gibanje elektrona ako pretpostavimo da elektron, apsorbirajući foton iz polja, izgleda kao da doživljava iznenadni pritisak. Stoga, na kvantnoj razini, čin raspršenja elektrona na elektronu može se opisati kao što je prikazano na Sl. 12. Valovita linija koja povezuje putanje dvaju elektrona odgovara fotonu kojeg emitira jedan elektron, a apsorbira drugi. Sada se čin raspršenja pojavljuje kao iznenadna promjena smjera kretanja svakog elektrona
Slika 12. Kvantni opis raspršenja nabijenih čestica. Međudjelovanje čestica nastaje zbog izmjene prijenosnika interakcije, odnosno virtualnog fotona (valovita linija).
Dijagrame ove vrste prvi je upotrijebio Richard Feynman za vizualno predstavljanje različitih članova jednadžbe, a u početku su imali čisto simboličko značenje. Ali onda su se Feynmanovi dijagrami počeli koristiti za dijagramski prikaz međudjelovanja čestica. Čini se da takve slike nadopunjuju intuiciju fizičara, ali treba ih tumačiti s određenom dozom opreza. Na primjer, nikad nema oštrog prekida u putanji elektrona. Budući da znamo samo početnu i konačnu poziciju elektrona, ne znamo točno kada dolazi do izmjene fotona i koja čestica emitira, a koja apsorbira foton. Sve ove pojedinosti skrivene su velom kvantne neizvjesnosti.
Unatoč ovom upozorenju, Feynmanovi dijagrami su se pokazali učinkovitim sredstvom za opisivanje kvantnih interakcija. Foton koji se razmjenjuje između elektrona može se smatrati nekom vrstom glasnika jednog od elektrona koji govori drugom: "Ovdje sam, stoga se pokreni!" Naravno, svi kvantni procesi su probabilističke prirode, pa se takva izmjena događa samo s određenom vjerojatnošću. Može se dogoditi da elektroni razmijene dva ili više fotona (slika 13), iako je to manje vjerojatno.
Važno je shvatiti da u stvarnosti ne vidimo fotone kako jure od jednog elektrona do drugog. Nositelji interakcije su "unutarnja materija" dva elektrona. Oni postoje isključivo kako bi rekli elektronima kako da se kreću, i iako nose energiju i zamah, odgovarajući zakoni očuvanja klasične fizike ne vrijede za njih. Fotone u ovom slučaju možemo usporediti s lopticom koju tenisači razmjenjuju na terenu. Baš kao što teniska loptica određuje ponašanje tenisača na igralištu, foton utječe na ponašanje elektrona.
Uspješan opis interakcije pomoću čestice nositelja popraćen je proširenjem koncepta fotona: ispada da je foton ne samo čestica svjetlosti vidljiva nama, već i sablasna čestica koju "vidi" samo nabijen čestice koje se raspršuju. Ponekad se fotoni koje promatramo nazivaju stvaran, a fotoni koji nose interakciju su virtualan,što nas podsjeća na njihovo prolazno, gotovo sablasno postojanje. Razlika između stvarnih i virtualnih fotona donekle je proizvoljna, ali unatoč tome ti su koncepti postali rašireni.
Opis elektromagnetske interakcije korištenjem koncepta virtualnih fotona - njezinih nositelja - po svom značenju nadilazi puke ilustracije kvantne prirode. U stvarnosti, govorimo o teoriji osmišljenoj do najsitnijih detalja i opremljenoj savršenim matematičkim aparatom, poznatom kao kvantna elektrodinamika, Skraćeno kao QED. Kada je QED prvi put formuliran nedugo nakon Drugog svjetskog rata, fizičari su imali na raspolaganju teoriju koja je zadovoljila osnovne principe i kvantne teorije i relativnosti. Ovo je prekrasna prilika da se vide kombinirane manifestacije dvaju važnih aspekata nove fizike i. provjerite ih eksperimentalno.
Teoretski, stvaranje QED-a bilo je izvanredno postignuće. Ranije studije interakcije fotona i elektrona imale su vrlo ograničen uspjeh zbog matematičkih poteškoća. Ali čim su teoretičari naučili pravilno izračunati, sve je ostalo na mjestu. QED je predložio postupak za dobivanje rezultata bilo kojeg ma koliko složenog procesa koji uključuje fotone i elektrone.
Slika 13. Raspršenje elektrona nastaje izmjenom dva virtualna fotona. Takvi procesi predstavljaju malu izmjenu glavnog procesa prikazanog na sl. jedanaest
Kako bi testirali koliko dobro teorija odgovara stvarnosti, fizičari su se usredotočili na dva učinka koja su bila od posebnog interesa. Prvi zabrinuti razine energije atom vodika je najjednostavniji atom. QED je predvidio da bi razine trebale biti malo pomaknute s položaja koje bi zauzimale da virtualni fotoni ne postoje. Teorija je vrlo točno predvidjela veličinu ovog pomaka. Eksperiment otkrivanja i mjerenja pomaka s iznimnom točnošću proveo je Willis Lamb sa Sveučilišta State. Arizona. Na opće zadovoljstvo, rezultati izračuna savršeno su se poklopili s eksperimentalnim podacima.
Drugi odlučujući test QED-a odnosio se na izuzetno malu korekciju magnetskog momenta elektrona. I opet su se rezultati teoretskih proračuna i eksperimenta potpuno poklopili. Teoretičari su počeli usavršavati svoje izračune, a eksperimentatori su počeli poboljšavati svoje instrumente. No, iako se točnost i teorijskih predviđanja i eksperimentalnih rezultata kontinuirano poboljšavala, slaganje između QED-a i eksperimenta ostalo je besprijekorno. Danas se teorijski i eksperimentalni rezultati još uvijek slažu u granicama postignute točnosti, što znači podudarnost na više od devet decimala. Takva upečatljiva podudarnost daje pravo da se QED smatra najnaprednijom od postojećih prirodoslovnih teorija.
Nepotrebno je reći da je nakon takvog trijumfa QED usvojen kao model za kvantni opis ostale tri temeljne interakcije. Naravno, polja povezana s drugim interakcijama moraju odgovarati drugim česticama nositeljima. Za opisivanje gravitacije uveden je graviton, igrajući istu ulogu kao foton. Tijekom gravitacijske interakcije dviju čestica dolazi do izmjene gravitona između njih. Ova se interakcija može vizualizirati pomoću dijagrama sličnih onima prikazanima na Sl. 12 i 13. Gravitoni su ti koji nose signale od Mjeseca do oceana, nakon čega se dižu tijekom plime i spuštaju tijekom oseke. Gravitoni koji jure između Zemlje i Sunca drže naš planet u orbiti. Gravitoni nas čvrsto vežu za Zemlju.
Poput fotona, gravitoni putuju brzinom svjetlosti, stoga su gravitoni čestice s "nultom masom mirovanja". Ali tu završavaju sličnosti između gravitona i fotona. Dok foton ima spin 1, graviton ima spin 2.
Tablica 4 
Čestice koje nose četiri temeljne interakcije. Masa se izražava u jedinicama mase protona.
To je važna razlika jer određuje smjer sile: u elektromagnetskom međudjelovanju slično nabijene čestice, poput elektrona, se odbijaju, dok se u gravitacijskom međudjelovanju sve čestice međusobno privlače.
Gravitoni mogu biti stvarni i virtualni. Pravi graviton nije ništa više od kvanta gravitacijskog vala, baš kao što je pravi foton kvant elektromagnetskog vala. U principu, pravi gravitoni se mogu "promatrati". Ali budući da je gravitacijska interakcija nevjerojatno slaba, gravitoni se ne mogu izravno detektirati. Interakcija gravitona s drugim kvantnim česticama je toliko slaba da je vjerojatnost raspršenja ili apsorpcije gravitona, na primjer, protonom beskonačno mala.
Osnovna ideja razmjene čestica nositelja odnosi se i na druge interakcije (tablica 4) - slabe i jake. Međutim, postoje važne razlike u detaljima. Podsjetimo, jaka interakcija osigurava vezu između kvarkova. Takvu vezu može stvoriti polje sile slično elektromagnetskom, ali složenije. Električne sile dovode do stvaranja vezanog stanja dviju čestica s nabojima suprotnih predznaka. U slučaju kvarkova nastaju vezana stanja triju čestica, što ukazuje na složeniju prirodu polja sila, kojemu odgovaraju tri tipa “naboja”. Pozivaju se čestice - nositelji interakcije između kvarkova, povezujući ih u parove ili trojke gluoni.
U slučaju slabe interakcije situacija je nešto drugačija. Radijus ove interakcije je izuzetno mali. Stoga nositelji slabe interakcije moraju biti čestice s velikim masama mirovanja. Energija sadržana u takvoj masi mora se “posuditi” u skladu s Heisenbergovim načelom nesigurnosti, o čemu je već bilo riječi na str. 50. Ali budući da je "posuđena" masa (a time i energija) tako velika, načelo nesigurnosti zahtijeva da razdoblje otplate takvog zajma bude izuzetno kratko - samo oko 10^-28 s. Takve kratkotrajne čestice nemaju vremena da se pomaknu jako daleko, a radijus međudjelovanja koji nose je vrlo mali.
Zapravo postoje dvije vrste prijenosnika slabe sile. Jedan od njih sličan je fotonu u svemu osim u masi mirovanja. Te se čestice nazivaju Z čestice. Z čestice su u biti nova vrsta svjetlosti. Druga vrsta nositelja slabe sile, W čestice, razlikuju se od Z čestica po prisutnosti električnog naboja. U pogl. 7 detaljnije ćemo govoriti o svojstvima Z i W čestica koje su otkrivene tek 1983. godine.
Klasifikacija čestica na kvarkove, leptone i nositelje interakcija zaokružuje popis poznatih subatomskih čestica. Svaka od ovih čestica ima svoju, ali odlučujuću ulogu u formiranju Svemira. Da nema čestica nositelja, ne bi bilo interakcija, a svaka bi čestica ostala u mraku o svojim partnerima. Složeni sustavi ne bi mogli nastati, bilo kakva aktivnost bila bi nemoguća. Bez kvarkova ne bi bilo atomskih jezgri niti sunčeve svjetlosti. Bez leptona atomi ne bi mogli postojati, ne bi ni nastali kemijske strukture i sam život.
Koji su ciljevi fizike čestica?
Utjecajne britanske novine The Guardian jednom su objavile uvodnik u kojem se propituje mudrost razvoja fizike čestica, skupog pothvata koji troši ne samo značajan udio nacionalnog proračuna za znanost, već i lavovski dio najboljih umova. "Znaju li fizičari što rade?", upitao je Guardian "Čak i ako znaju, čemu, osim fizičarima, trebaju sve te čestice?"
Nekoliko mjeseci nakon ove objave imao sam priliku prisustvovati predavanju u Baltimoreu Georgea Keywortha, savjetnika američkog predsjednika za znanost. Keyworth se također pozabavio fizikom čestica, ali je njegovo predavanje imalo sasvim drugačiji ton. Američki fizičari bili su impresionirani nedavnim izvješćem CERN-a, vodećeg europskog laboratorija za fiziku čestica, o otkriću fundamentalnih W i Z čestica, koje su konačno dobivene na velikom kolajderu snopova sudara proton-antiprotona. Amerikanci su navikli na činjenicu da su sva senzacionalna otkrića napravljena u njihovim laboratorijima za fiziku visokih energija. Nije li činjenica da su izgubili dlan znak znanstvenog, pa i nacionalnog nazadovanja?
Keyworth nije sumnjao da je za napredak Sjedinjenih Država općenito, a posebice američkog gospodarstva, ta zemlja trebala biti na čelu znanstvenog istraživanja. Glavni projekti temeljna istraživanja, rekao je Keyworth, predvodnici su napretka. Sjedinjene Države moraju povratiti svoju nadmoć u fizici elementarnih čestica,
Istog tjedna, kanali vijesti kružili su izvještajima o američkom projektu za divovski akcelerator dizajniran za provođenje nove generacije eksperimenata u fizici čestica. Glavni trošak procijenjen je na 2 milijarde dolara, što ovaj akcelerator čini najskupljim strojem koji je čovjek ikada napravio. Ovaj Uncle Sam div, koji bi zasjenio čak i novi CERN-ov LEP akcelerator, toliko je velik da bi cijela država Luksemburg mogla stati u njegov prsten! Divovski supravodljivi magneti dizajnirani su za stvaranje intenzivnih magnetskih polja koja će savijati snop čestica, usmjeravajući ga duž komore u obliku prstena; to je toliko ogromna građevina da bi novi akcelerator trebao biti smješten u pustinji. Zanima me što o tome misli urednik novina Guardian.
Poznat kao Superconducting Super Collider (SSC), ali se češće naziva "de-zertron" (od engleskog. pustinja - pustinja. - ur.), ovaj monstruozni stroj moći će ubrzati protone do energije približno 20 tisuća puta veće od energije mirovanja (mase). Ove se brojke mogu tumačiti na različite načine. Pri maksimalnoj akceleraciji čestice će se kretati brzinom samo 1 km/h manjom od brzine svjetlosti – što je najveća brzina u Svemiru. Relativistički efekti su toliko veliki da je masa svake čestice 20 tisuća puta veća nego u mirovanju. U sustavu povezanom s takvom česticom, vrijeme je toliko rastegnuto da 1 s odgovara 5,5 sati u našem referentnom okviru. Svaki kilometar komore kroz koju čestica prolazi "činit će se" komprimiranim na samo 5,0 cm.
Kakva to ekstremna potreba tjera države da troše tako golema sredstva na sve razorniju fisiju atoma? Ima li ikakve praktične koristi od takvog istraživanja?
Svakoj velikoj znanosti, naravno, nije stran duh borbe za nacionalni prioritet. I ovdje je, kao u umjetnosti ili sportu, lijepo osvajati nagrade i svjetska priznanja. Fizika elementarnih čestica postala je svojevrsni simbol državne moći. Ako se uspješno razvija i daje opipljive rezultate, to znači da su znanost, tehnologija, kao i gospodarstvo zemlje u cjelini, u osnovi na odgovarajućoj razini. To podupire povjerenje u visoku kvalitetu proizvoda iz drugih općenitijih tehnoloških grana. Za stvaranje akceleratora i sve povezane opreme, vrlo visoka razina profesionalizam. Vrijedno iskustvo stečeno razvojem novih tehnologija može imati neočekivane i korisne učinke na druga područja znanstvenog istraživanja. Primjerice, u SAD-u se već dvadeset godina provode istraživanja i razvoj supravodljivih magneta potrebnih za "desertron". Međutim, oni ne pružaju izravne koristi i stoga ih je teško vrednovati. Ima li opipljivijih rezultata?
Ponekad se čuje još jedan argument u prilog temeljnom istraživanju. Fizika je oko pedeset godina ispred tehnologije. Praktična primjena jednog ili drugog znanstveno otkriće Iako isprva nije očito, nekoliko značajnih postignuća fundamentalne fizike nisu s vremenom našla praktičnu primjenu. Sjetimo se Maxwellove teorije elektromagnetizma: je li njezin tvorac mogao predvidjeti nastanak i uspjeh modernih telekomunikacija i elektronike? A što je s Rutherfordovim riječima da je malo vjerojatno da će nuklearna energija ikada pronaći praktičnu primjenu? Može li se predvidjeti do čega može dovesti razvoj fizike elementarnih čestica, koje će nove sile i novi principi biti otkriveni koji će proširiti naše razumijevanje svijeta oko nas i dati nam moć nad širim spektrom fizikalnih pojava. A to bi moglo dovesti do razvoja tehnologija ništa manje revolucionarnih po prirodi od radija ili nuklearne energije.
Većina grana znanosti na kraju je pronašla određenu vojna primjena. U tom je pogledu fizika čestica (za razliku od nuklearne) do sada ostala nedodirljiva. Igrom slučaja, Keyworthovo predavanje poklopilo se s pompom u javnosti oko kontroverznog projekta predsjednika Reagana za stvaranje proturaketnog, takozvanog beam oružja ( Ovaj projekt dio je programa pod nazivom Strateška obrambena inicijativa (SDI). Bit ovog projekta je korištenje visokoenergetskih snopova čestica protiv neprijateljskih projektila. Ova primjena fizike čestica doista je zlokobna.
Prevladava mišljenje da je izrada takvih uređaja neizvediva. Većina znanstvenika koji rade na području fizike elementarnih čestica ove ideje smatraju apsurdnim i neprirodnim te se oštro protive predsjednikovom prijedlogu. Osuđujući znanstvenike, Keyworth ih je pozvao da "razmotre kakvu bi ulogu mogli igrati" u projektu zračnog oružja. Keyworthov apel fizičarima (čisto slučajno, naravno) uslijedio je nakon njegovih riječi o financiranju fizike visokih energija.
Moje je čvrsto uvjerenje da fizičari visokih energija ne trebaju opravdavati potrebu za fundamentalnim istraživanjem navodeći primjene (osobito one vojne), povijesne analogije ili nejasna obećanja o mogućim tehničkim čudima. Fizičari provode ova istraživanja prvenstveno u ime svoje neiskorijenjive želje da saznaju kako funkcionira naš svijet, želje da detaljnije razumiju prirodu. Fizika čestica nema premca među ostalim disciplinama ljudska aktivnost. Dva i pol tisućljeća čovječanstvo je težilo pronaći izvorne “građevne elemente” svemira, a sada smo blizu konačnog cilja. Divovske instalacije pomoći će nam da prodremo u samo srce materije i iz prirode istrgnemo njene najdublje tajne. Čovječanstvo može očekivati neočekivane primjene novih otkrića, dosad nepoznatih tehnologija, ali može se pokazati da fizika visokih energija neće dati ništa za praksu. Ali čak i veličanstvena katedrala ili koncertna dvorana imaju malo praktične koristi. U tom smislu, ne možemo se ne prisjetiti riječi Faradaya, koji je jednom primijetio: "Što će nam novorođenče?" Vrste ljudskog djelovanja koje su daleko od prakse, au koje spada i fizika elementarnih čestica, svjedoče o očitovanju ljudskog duha bez kojega bismo bili osuđeni na propast u našem previše materijalnom i pragmatičnom svijetu.
26. studenoga 1894. god. Vjenčanje ruskog cara Nikolaja II i njemačke princeze Alice od Hesse-Darmstadta održano je u Sankt Peterburgu. Nakon vjenčanja, careva žena je prihvatila pravoslavnu vjeru i dobila ime Aleksandra Fjodorovna.
27. studenog 1967. godine. U moskovskom kinu "Mir" održana je premijera prvog sovjetskog trilera "Vij". Glavne uloge igrali su Leonid Kuravlev i Natalia Varley. Snimanje se odvijalo u regiji Ivano-Frankivsk i selu Sednev u regiji Chernihiv.
28. studenog 1942. god Sovjetski Savez sklopio sporazum s Francuskom o zajedničkoj borbi protiv nacistička Njemačka na nebu. Prvu francusku zrakoplovnu eskadrilu "Normandie-Niemen" činilo je 14 pilota i 17 tehničkih radnika.
29. studenoga 1812. god Napoleonova vojska je poražena pri prelasku rijeke Berezine. Napoleon je izgubio oko 35 tisuća ljudi. Gubici ruskih trupa, prema natpisu na 25. zidu galerije vojnička slava Katedrala Krista Spasitelja, iznosila je 4 tisuće vojnika. Gotovo 10 tisuća Francuza zarobio je ruski general Peter Wittgenstein.
1. prosinca 1877. godine U selu Markovka, Vinička oblast, Nikolaj Leontovič, ukrajinski kompozitor, zborski dirigent, autor pjesama „Dudarik“, „Kozak nosi“, „Mala majka jedne kćeri“, „Ščedrik“ (pjesma je poznata na zapadu kao božićna pjesma zvona (“Carol of the Bells”).
1. prosinca 1991. godine. Održan je sveukrajinski referendum o pitanju državne neovisnosti Ukrajine. Leonid Kravčuk izabran je za prvog predsjednika zemlje.
2. prosinca 1942. godine. Fizičar Enrico Fermi i grupa američkih znanstvenika sa Sveučilišta u Chicagu izveli su kontroliranu nuklearnu reakciju, po prvi put razdvojivši atom.
Dana 1. prosinca 1992. ukrajinska domena UA registrirana je u međunarodnoj bazi podataka
Među bivšim sovjetskim republikama Ukrajina je 1. prosinca 1992. postala prva zemlja koja je dobila nacionalnu internetsku domenu. Rusija je registrirana kasnije: domena RU pojavila se 7. travnja 1994. Iste godine svoje domene dobile su Republika Bjelorusija - BY, Armenija - AM i Kazahstan - KZ. A prva nacionalna domena u povijesti interneta bila je američka US, registrirana je u ožujku 1985. godine. U isto vrijeme pojavile su se domene Velike Britanije - UK i Izraela - IL. Stvaranje sustava domena omogućilo je da se odmah razumije gdje se nalazi prema nazivu web mjesta.
U siječnju 1993., na konferenciji ukrajinskih stručnjaka za Internet u selu Slavskoye, Lavovska regija, predloženo je 27 domena, stvorenih na zemljopisnoj osnovi, odabranih prema kodu telefonskog broja. Ukrajinski gradovi i poduzeća imaju priliku stvoriti vlastite web stranice na internetu, na primjer, kiev.ua, crimea.ua, dnepropetrovsk.ua. Sve odgovornosti za njihovu upravu i dalje su obavljali pojedinci na javna načela. U nekim javnim domenama ova praksa traje do danas. Sada svaka nacionalna ili geografska domena ima svog administratora - tvrtku ili pojedinca koji određuje pravila registracije. S vremenom je internet iznjedrio vlastitu verziju jezika. Naziv domene koji završava skraćenicom COM, NET, EDU označava kraticu opći koncept. Na primjer, COM je komercijalni, NET je mreža, EDU je obrazovni. Kod nas je najpopularnija domena COM. U proljeće 2001., kako bi se vratio red, konačno je stvorena pravna osoba Hostmaster LLC, koja je uključivala administratore UA i drugih ukrajinskih domena. Pojedinci, bivši vlasnici ukrajinske domene UA, službeno su prenijeli dio svojih ovlasti na “Hostmaster”.
Danas svatko može kreirati vlastitu web stranicu i dobiti domenu. Prva faza, tijekom koje su samo vlasnici zaštitnih znakova mogli registrirati domene u UA zoni, već je završila. Od 2010. besplatna registracija domene dostupna je svima na razdoblje od deset godina; cijena korištenja domene za jednu godinu iznosi 90 grivna. Inače, prvi koji je predvidio internet bio je pisac, filozof i javna osoba iz 19. stoljeća Vladimir Odojevski. U romanu "Godina 4338", objavljenom 1837., Odojevski je napisao: " Između poznatih kuća instalirani su magnetski telegrafi, preko kojih oni koji žive na velikoj udaljenosti komuniciraju jedni s drugima." Sada, otvaranjem web stranice na internetu bez napuštanja doma, svatko od nas može kupiti kartu za zrakoplov i vlak, kupovati u supermarketu elektronike, objavljivati svoje radove bez posrednika, pa čak i pronaći životnog partnera na stranici za upoznavanje. Dvadesetogodišnjaci teško mogu zamisliti eru kada su išli u knjižnicu kupovati knjige, pisma su se pisala rukom, a vijesti saznavale samo iz televizijskih programa ili tiskanih izdanja.
Često se kaže da postoje dvije vrste znanosti – velike i male znanosti. Rastavljanje atoma je velika znanost. Ima gigantske eksperimentalne objekte, kolosalne proračune i prima lavovski udio Nobelovih nagrada.
Zašto su fizičari morali razdvojiti atom? Jednostavan odgovor - razumjeti kako atom radi - sadrži samo dio istine, ali postoji i općenitiji razlog. Nije sasvim ispravno govoriti doslovno o cijepanju atoma. U stvarnosti, govorimo o sudaru visokoenergetskih čestica. Kada se subatomske čestice koje se kreću velikim brzinama sudare, rađa se novi svijet interakcija i polja. Fragmenti materije koji nose ogromnu energiju, raspršujući se nakon sudara, kriju tajne prirode, koje su od “stvaranja svijeta” ostale zakopane u dubinama atoma.
Instalacije u kojima se sudaraju čestice visoke energije - akceleratori čestica - zadivljuju svojom veličinom i cijenom. Dosežu nekoliko kilometara u promjeru, zbog čega čak i laboratoriji koji proučavaju sudare čestica izgledaju maleni u usporedbi s njima. U drugim područjima znanstvenog istraživanja oprema se nalazi u laboratoriju; u fizici visokih energija laboratoriji su priključeni na akcelerator. Odnedavno Europski centar nuklearna istraživanja(CERN), koji se nalazi u blizini Ženeve, izdvojio je nekoliko stotina milijuna dolara za izgradnju prstenastog akceleratora. Opseg tunela koji se gradi u tu svrhu doseže 27 km. Akcelerator, nazvan LEP (Large Electron-Positron ring), dizajniran je za ubrzavanje elektrona i njihovih antičestica (pozitrona) do brzina koje se samo "za dlaku" razlikuju od brzine svjetlosti. Da biste dobili predodžbu o razmjeru energije, zamislite da se umjesto elektrona, novčić penija ubrzava do te brzine. Na kraju ciklusa ubrzanja imao bi dovoljno energije za proizvodnju električne energije u vrijednosti od 1000 milijuna dolara! Nije iznenađujuće da se takvi eksperimenti obično klasificiraju kao fizika "visokih energija". Krećući se jedni prema drugima unutar prstena, snopovi elektrona i pozitrona doživljavaju frontalne sudare, u kojima elektroni i pozitroni anihiliraju, oslobađajući energiju dovoljnu za proizvodnju desetaka drugih čestica.
Koje su to čestice? Neki od njih su sami "građevni blokovi" od kojih smo izgrađeni: protoni i neutroni koji čine atomske jezgre i elektroni koji kruže oko jezgri. Ostale čestice obično nema u materiji oko nas: životni vijek im je iznimno kratak, a nakon isteka raspadaju se na obične čestice. Broj vrsta takvih nestabilnih kratkotrajnih čestica je nevjerojatan: nekoliko stotina ih je već poznato. Poput zvijezda, nestabilne čestice su previše brojne da bi se identificirale imenom. Mnogi od njih označeni su samo grčkim slovima, a neki su samo brojevi.
Važno je imati na umu da sve te brojne i raznolike nestabilne čestice nisu doslovno komponente protona, neutrona ili elektrona. Prilikom sudara elektroni i pozitroni visoke energije ne raspršuju se u mnogo subatomskih fragmenata. Čak i tijekom sudara visokoenergetskih protona, koji se očito sastoje od drugih objekata (kvarkova), oni se u pravilu ne dijele na svoje sastavne dijelove u uobičajenom smislu. Ono što se događa u takvim sudarima bolje je promatrati kao izravno stvaranje novih čestica iz energije sudara.
Prije dvadesetak godina fizičari su bili potpuno zbunjeni brojem i raznolikošću novih subatomskih čestica kojima se činilo da nema kraja. Bilo je nemoguće razumjeti zašto je bilo toliko čestica. Možda su elementarne čestice poput stanovnika zoološkog vrta, s implicitnom obiteljskom pripadnošću, ali bez jasne taksonomije. Ili možda, kako su vjerovali neki optimisti, elementarne čestice drže ključ svemira? Što su čestice koje fizičari promatraju: beznačajni i nasumični fragmenti materije ili obrisi nejasno percipiranog reda koji izranjaju pred našim očima, ukazujući na postojanje bogate i složene strukture subnuklearnog svijeta? Sada nema sumnje u postojanje takve strukture. U mikrosvijetu postoji duboki i racionalni poredak i počinjemo shvaćati značenje svih tih čestica.
Odaberite odgovarajući izotop. Neki elementi ili izotopi podliježu radioaktivnom raspadu, a različiti izotopi mogu se ponašati drugačije. Najčešći izotop urana ima atomsku težinu 238 i sastoji se od 92 protona i 146 neutrona, ali njegove jezgre obično apsorbiraju neutrone bez cijepanja na jezgre lakših elemenata. Izotop urana čija jezgra sadrži tri neutrona manje, 235 U, cijepa se mnogo lakše nego 238 U i naziva se fisijski izotop.
- Prilikom cijepanja (fisije) urana oslobađaju se tri neutrona koji se sudaraju s drugim atomima urana, uzrokujući lančanu reakciju.
- Neki se izotopi cijepaju tako lako i brzo da je nemoguće održavati stalnu nuklearnu reakciju. Ova pojava se naziva spontani, ili spontani, raspad. Na primjer, izotop plutonija 240 Pu podložan je takvom raspadu, za razliku od 239 Pu, koji ima manju brzinu fisije.
Kako bi se reakcija nastavila nakon što se prvi atom raspadne, mora se prikupiti dovoljno izotopa. Za to je potrebno imati određenu minimalnu količinu fisibilnog izotopa koji će podržati reakciju. Ta se veličina naziva kritična masa. Potrebno je postići kritičnu masu i povećati vjerojatnost raspadanja dovoljna količina izvorni materijal.
Pucaj jednom atomskom jezgrom izotopa u drugu jezgru istog izotopa. Budući da su subatomske čestice rijetke u slobodnom obliku, često ih je potrebno odvojiti od atoma koji sadrže te čestice. Jedan od načina da to učinite je pucanje jednog atoma izotopa u drugi istog atoma.
- Ova metoda je korištena za stvaranje atomska bomba od 235 U, koji je bačen na Hirošimu. Oružje nalik topu s uranovom jezgrom ispalilo je atome 235 U na metu od sličnih atoma 235 U letjelo je dovoljno brzo da su neutroni oslobođeni iz njih prodrli u jezgre drugih atoma 235 U i razdvojili ih. Fisija je pak oslobodila neutrone, koji su razdvojili daljnjih 235 atoma U.
Bombardirajte jezgre fisibilnog izotopa subatomskim česticama. Jedna subatomska čestica može pogoditi atom 235 U i razdvojiti ga na dva odvojena atoma drugih elemenata, oslobađajući tri neutrona. Subatomske čestice mogu biti proizvedene iz kontroliranog izvora (kao što je neutronska puška) ili stvorene sudaranjem jezgri. Obično se koriste tri vrste subatomskih čestica.
- Protoni. Ove subatomske čestice imaju masu i pozitivnu električno punjenje. Broj protona u atomu određuje čiji je atom atom.
- Neutroni. Ove subatomske čestice imaju istu masu kao proton, ali su neutralne (nemaju električni naboj).
- Alfa čestice. Ove čestice su jezgre atoma helija bez elektrona. Sastoje se od dva protona i dva neutrona.
