- •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?
Спасительные космические лучи
Мало предсказать существование новых частиц, нужно подтвердить это в опытах. А поскольку ни у кого не было свидетельств существования позитрона, оно представлялось сомнительным. В начале 1930-х годов американский физик Карл Андерсон привлек для изучения материи новое средство — космические лучи. Они состоят в основном из протонов, ос-частиц (связанные два протона и два нейтрона; одним словом, ядра гелия), или света различной частоты. Эти частицы обладают широким спектром энергии и бомбардируют Землю повсюду, падая на нее с частотой одна частица в секунду. Основной источник космических лучей — Солнце, однако наблюдаемые в космических лучах частицы с наиболее высокой энергией порождены более мощными процессами по сравнению с теми, что происходят на Солнце.
Космические лучи невидимы, и их воздействие на материю слишком мало, чтобы его заметить. Для обнаружения частиц Андерсон использовал два устройства: создающее сильное магнитное поле и конденсационную камеру Вильсона. Магнитное поле искривляло траекторию заряженных частиц внутри конденсационной камеры, содержащей насыщенный водяными парами чистый воздух. Частицы, пролетая через камеру, ионизировали молекулы воздуха, и те становились точками оседания паров, образуя в итоге капли воды. Эти капли позволяли наблюдать траектории частиц, подобно тому как земная атмосфера дает возможность увидеть след от высоко летящего самолета, хотя его самого и не видно.
Андерсон проводил опыты в Колорадо, где большая высота существенно уменьшала затеняющее действие земной атмосферы на падающие космические лучи. Один из его снимков запечатлел траекторию, отклонившуюся в противоположном от траектории электрона направлении. Это было свидетельством существования позитрона. Оказывается, почти всем частицам соответствуют античастицы, отличающиеся электрическим зарядом и иными, более тонкими свойствами (см.: Список идей, 1. Антивещество).
Так как в гипотезе Дирака предсказывалось существование позитрона, его обнаружение подтверждало истинность релятивистской квантовой механики (квантовая механика, видоизмененная с учетом специальной теории относительности). Однако другое открытие Андерсона оказалось более обескураживающим. Он обнаружил траектории двух новых частиц — мюонов, масса которых в 200 с лишним раз превышала массу электрона. Одна имела положительный заряд, а другая — отрицательный. Их существование и свойства приводили в замешательство, поскольку мюонам не находилось места в строении вещества. Недоумение физиков выразилось в ответе Нобелевского лауреата И. А. Раби, который, услышав об открытии мюона, спросил: «Кто их заказывал?»
Четыре силы
Словно мало было хлопот с новыми частицами, в те же 1930-е годы были открыты еще и новые поля. К уже известному тяготению и электромагнетизму добавились силы ядерного взаимодействия, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, и силы слабого взаимодействия, вызывающие некоторые процессы радиоактивного распада. Любопытно, что слабое и сильное взаимодействия достигали своей максимальной силы на очень малом расстоянии, причем их сила падала до нуля, стоило частицам удалиться на расстояние, превышающее размеры ядра. Вот почему мы их не видим: они действуют на расстоянии, недоступном нашим органам чувств.
В 1930-е годы Энрико Ферми выдвинул теорию слабого взаимодействия, предсказавшую существование еще одной новой частицы. Эта электрически нейтральная частица нужна была для учета недостающей энергии в наблюдаемом [бета-]распаде. Ферми назвал ее нейтрино. Нейтрино оказалось чуть ли не частицей-призраком, столь редко взаимодействующей с обыкновенным веществом, что для остановки половины падающих нейтрино понадобилась бы свинцовая пластина толщиной в восемь световых лет (превышающей более чем в 2 раза расстояние от Солнца до ближайшей звезды). И все же нейтрино [точнее, антинейтрино] были обнаружены опытным путем американскими физиками Фредериком Рейнесом и Клайдом Коуэном, но лишь в 1953— 1956 годах. Это и требовалось физике — другая частица.