- •Наука ≠ техника
- •Научный метод в действии
- •Нерешенные проблемы
- •Более элементарные по сравнению с атоллами
- •Спасительные космические лучи
- •Четыре силы
- •Осколки частиц, или Трудное разделение
- •Вмешательство политики
- •Физика возвращается к повседневным заботам
- •Появление кварков
- •Теория наносит ответный удар: объединение
- •Стандартная модель
- •Проверка стандартной модели
- •Теневая сторона стандартной модели
- •Проблема происхождения массы, известная как проблема полей Хиггса
- •Нужна новая физика
- •Необходим новый язык?
- •Решение головоломки: как, кто, где и когда?
- •Становление химических систем
- •Предположения о происхождении жизни
- •Нынешняя жизнь: клеточные структуры
- •Отправления клетки
- •Предсолнце
- •Наше Солнце
- •Появление рнк
- •Рнк-мир
- •Альтернативы рнк-миру
- •Сложности
- •Решение головоломки: как, кто и почему?
- •Биология
- •E. Coli
- •Опероны е. Coli
- •Оперон днк — рнк — белки
- •От прокариот к эукариоталл
- •Модельные организмы
- •Физика — биология — химия
- •Секвенирование генома человека
- •Угроза патентования
- •Секвенирование дроблением
- •План на вторую половину игры
- •Последствия и бедствия
- •Решение головоломки: почему, как, кто и где, когда?
- •Глава пятая Геология
- •Погода на Земле
- •Воздух местного производства
- •Получение атмосферного газа
- •Потеря атмосферного газа
- •Получение или утрата атмосферного газа
- •Погода и климат: гипотезы (весьма добротные), прогнозы (не столь добротные)
- •Решение головоломки: как и где?
- •Астрономия
- •Содержимое Вселенной
- •Измерение межзвездных расстояний
- •Галактики: первые теории и наблюдения
- •Космологический вклад Эйнштейна
- •Чем крупнее телескопы, тем больше расстояния до звезд
- •Одна большая Галактика или многочисленные обособленные галактики
- •Вселенная галактик
- •Столкнувшись с неожиданным: ускорение Вселенной
- •В темноте рассуждать о темной энергии
- •Решение головоломки: где, когда, как и кто?
- •1. Антивещество
- •2. Ускорители
- •4. Внеземная жизнь
- •1. Какова скорость образования в нашей Галактике звезд, подходящих для создания пригодных для жизни планет ?
- •2. Какова доля таких звезд, имеющих планеты ?
- •3. Какова доля планет, обращающихся вокруг своих звезд в пределах, где возможно зарождение жизни ?
- •4. Какова доля благоприятно расположенных планет, где действительно зародилась жизнь?
- •5. Какова доля форм жизни, приведших к возникновению разума ?
- •6. Какова доля разумных форм жизни, способных создать технические средства для передачи поддающихся обнаружению сигналов?
- •7. В течение скольких лет разумная цивилизация передает в космос поддающиеся обнаружению сигналы?
- •5. Аминокислоты
- •6. Построение модели днк
- •7. Кодоны
- •8. Укладка белков
- •10. Парниковые газы
- •11. Земля: история недр
- •12. Теория хаоса
- •13 .Предсказание землетрясений
- •15. Труды Эйнштейна: помимо теории относительности
- •16. «Большой взрыв»
- •Глава 1. Видение науки
- •Глава 2. Физика. Почему одни частицы обладают массой, а другие нет?
- •Глава 3. Химия. Какого рода химические реакции подтолкнули атомы к образованию первых живых существ?
- •Глава 4. Биология. Каково строение и предназначение протеома?
- •Глава 5. Геология. Возможен ли точный долговременный прогноз погоды?
- •Глава 6. Астрономия. Почему Вселенная расширяется со все большей скоростью?
Осколки частиц, или Трудное разделение
Ученые отчаянно нуждались в аппаратуре для изучения этих новых частиц, но космические лучи оказались слишком уж ненадежными из-за столь широких перепадов их энергии, да и неизвестно было, откуда их ждать. В начале 1930-х годов появились новые устройства для систематических опытов — с использованием пучков частиц с заданной энергией. Устройства, названные ускорителями частиц, стали основным орудием физики высоких энергий, играя ту же роль, что микроскоп в биологии и телескоп в астрономии.
Были созданы два различных вида ускорителей: линейный и круговой, или циклотрон. В линейном ускорителе электроны ускоряются электрическим полем вдоль длинного вакуумного канала (модель Стэнфордского университета имеет протяженность 2 мили) и отклоняются магнитами для столкновения с мишенью. Датчики регистрировали продукты распада и синтеза при столкновении.
В циклотроне заряженные частицы ускоряются в зазоре между двумя половинами циклотрона (именуемыми дуантами — D-образными из-за своего вида), и их траектория искривляется магнитным полем внутри дуант. С увеличением энергии частицы двигаются по все большей дуге, и когда наконец достигают максимальной энергии, выводятся из циклотрона и направляются на мишень, где происходит столкновение, а разлетающиеся осколки регистрируются датчиками. (См.: Список идей, 2. Ускорители.) Изобретатель циклотрона Эрнест Лоренс трудился над созданием все больших циклотронов, которые называл протонными каруселями, но натолкнулся на препятствия, приведшие к остановке его карусели.
Вмешательство политики
1930-е годы принесли другое несчастье: Вторую мировую войну.
Помимо сокращения отпускаемых на исследования средств военные нужды отвлекли огромное множество физиков, вынудив их с 1941 года заниматься Манхэттенским проектом. Изначально целью этого проекта было изучение энергии, высвобождаемой при расщеплении ядер тяжелых металлов вроде урана, чтобы определить, можно ли использовать эту энергию для создания оружия и в случае утвердительного ответа сделать это раньше немецких физиков, которые, как считалось, работали над схожим замыслом. (Пьеса «Копенгаген» Майкла Фрайна повествует о планах немцев и союзников по созданию атомной бомбы на примере взаимоотношений физиков Нильса Бора и Вернера Гейзенберга.)
Задача физики состояла в постижении устройства ядра, техники — в претворении этого знания во взрывное устройство. Об этической стороне дела задумались после победы над немцами, хотя те не занимались созданием атомной бомбы. После капитуляции Германии в мае 1945 года некоторые физики в Соединенных Штатах Америки вышли из Манхэттенского проекта. Оставшиеся создали атомную и водородную бомбы, последствия чего мы ощущаем до сих пор.
Физика возвращается к повседневным заботам
После окончания войны погоня за новыми частицами возобновилась, и ведущая роль здесь отводилась ускорителю. Частицы сталкивали с мишенью, после чего тщательно изучали получавшиеся осколки. При относительно малых энергиях, доступных в ту пору, протоны застревали в больших ядрах, образовывая короткоживущие более крупные ядра. Некоторые из этих ядер были радиоактивными и распадались на ядра поменьше и другие частицы. Получавшиеся более крупные ядра пополняли Периодическую таблицу, к радости химиков, а физики оставались без новых частиц.
Тем временем строились все более крупные циклотроны, получавшие частицы со все большей энергией. Ввиду эквивалентности массы и энергии (согласно знаменитой формуле Эйнштейна Е = тс2) столкновения при больших энергиях позволяли получать более тяжелые частицы. И вскоре физиков, работавших на ускорителе, ждал успех.
Снимки из камеры Вильсона указали на следы, или треки, невиданных прежде частиц: заряженных пионов (π+, π-), или пи-мезонов, и каонов (К+, К-), или К-мезонов, нейтральных пиона и каонов, лямбда-частицы, сигма-частицы и пр. И хотя частицы были нестабильны, распадались вскоре на более привычные частицы, все это свидетельствовало о том, что материя таит в себе еще много неожиданного.
Гонка за частицами ширилась. Число циклотронов росло, а их устройство совершенствовалось. В приборе, именуемом синхротроном, ускоряющее поле синхронизировалось для обеспечения постоянного радиуса траектории у пучка частиц. На смену камере Вильсона пришла пузырьковая камера, где образование пузырьков в перегретом жидком водороде позволяло видеть следы частиц. Все это походило на исследование разметанного взрывом стога сена в поисках короткоживущих иголок. Так, одному аспиранту для диссертации пришлось изучить 240 тыс. снимков из пузырьковой камеры.
Итогом всех этих усилий стал настоящий бум частиц: их было найдено свыше ста. Нобелевский лауреат Энрико Ферми заметил своему студенту Леону Ледерману (впоследствии тоже Нобелевскому лауреату): «Молодой человек, если бы я мог упомнить названия всех элементарных частиц, я бы стал ботаником».