“Представете си скитник като джамджия и малко момченце, което обикаля улиците и чупи прозорците, а скитникът идва след него да ги поправя...”

Чарли Чаплин 

Филмът “Хлапето” е завършен от Чаплин в хотелска стая. Историята е за дете, оставено пред вход, където Скитникът живее на един таван. Но следващата история не е измислена, а истинска. През 1936-38 Андерсън и Недермайер, показали, че в космическите лъчи присъства частица с междинна маса. Наричана “тежък електрон”, "лек протон” докато не предложили названието “мезотрон”, от гръцката дума “мезос” – среден. Бащата на В. Хайзенберг, професор по класически езици, протестирал срещу буквите “тр”. Френските физици се опасявали, че названието на новата частица може да се сбърка с френската дума “maison” (дом), но названието се прихванало. От μ-мезон днес е останало само мюон. При преминаване през атмосферата те се

Скитникът и хлапето

поглъщат по-силно, отколкото във вода (при същото количество вещество). Куленкампф интерпретирал това като нестабилност на частиците. Хайзенберг: “В Германия, преди самата война, правителството не одобряваше теорията на относителността за релативисткото забавяне на времето в движещи се тела. Водеха се дела за допустимостта на преподаването на ТО в университетите. Имах възможността да се изкажа, че мюоните, които се движат почти със скоростта на светлината, трябва да се разпадат по-бавно. Този опитен факт откри вратите за теорията на относителността. Затова аз винаги чувствам признателност към мюоните.”

Времето на живот на мюоните е средно 2 микросекунди.

Безсилието на учените

“Ние се сблъскахме с изискано коварство на природата. Тя ни поднесе частица, която нямаше никакви права. Мюонът се яви като подхвърлено дете, намерено на прага на дома. Невъзможна бе дори класификацията на мюона. Той бе открит по-рано от пиона и всички считали, че това е мезона, който предсказа Юкава. Той не изпитвал силно взаимодействие с нуклоните и затова не би могъл да е носител на полето на ядрените сили. По тъкъв начин, до откриването на пиона, мюонът имал още по-малък смисъл, отколкото той има днес.” – М. Гел-Ман, Е. Розенбаум.

“Помисли защо съществува мюона?” – надпис в лаборатория.

Р. Файнман: “Може би ще бъде намерено квадратно уравнение: единият от корените ще съответства на електрона, а другият – на мюона."  

Л. Ледерман: “Физиците задаваха въпроса: защо на природата са й потрябвали две частици мюон и електрон, които са сходни помежду си във всичко, освен по масата? Може да се окаже, че зад “мюонността” се скрива сложна вътрешна структура. Друга възможност, указана от Ли, се заключава в това, че “мюонност-електронност” са аналогични на ситуацията електрическо-магнитно поле. В ХІХ век се е считало, че тези полета са подобни помежду си, но не са тъждествени”.

Но мюонът се оказа прецизен наблюдателен инструмент за изучаване на разпределението на заряда в ядрата - радиусът на К-орбитата му в олово е равен на 3 фм (фемтометри).

“Тежките електрони” катализират хладния синтез. Протича в течен и твърд водород при температури до 13 К и в газообразен – до 530 ^оС. Процесът е открит през 50-те, в следи на фотоплаки. В молекула от деутерий и тритий ядрата са отдалечени. Отрицателен мюон избива електрон и се захваща на неговата орбита. Такъв тритиев мезоатом е малък електронеутрален обект, който леко прониква в електронните облаци и може да свърже ядро на деутерия. Образува се хелий-5, който се разпада на α-частица и неутрон. Ако мюонът прилепне към нея, цикълът се прекъсва. Прилепналият мюон се разпада от старост. При сблъсък, от стръскването, до 40% от прилепналите мюони се отделят. Катализаторът може да бъде заловен от α-частица в 1% от случаите и един мюон може да катализира не повече от 100 реакции.

Въпреки, че взаимодейства с ядрата, мюонът се захваща от протоните много бавно и при това се наблюдава обратният бета-разпад, продуктите от захващането са неутрон и неутрино.

Пиони и каони

Р. Хил: “π (пи)-мезонът е всъщност Юкава-мезон с маса 273 пъти по-голяма от тази на електрона. Съществуват положителен, отрицателен и неутрален. Интересен е фактът, че π^о (неутралният пи-мезон) е точно с 9 електронни маси по-лек от π⁺ и π^- мезона… От друга страна в семейстото на К-мезоните К^о има по-голяма маса от тази на заредените К^± –мезони.

Средният брой пи-мезони, които се получават при анихилация на протон и антипротон при ниска енергия, е 4 или 5."

При разпадането на пиона (на мюон и неутрино) мюоните “отнасят енергия от 4,2 МеV или приблизително 8 електронни маси.” При захвата на пион от ядро, то се взривява, като масата на пиона се превръща изцяло в енергия.

Мюонът е частица, която изгражада, помага на леките ядра да се свържат, като след сливането продължава да “търси” други ядра, на които помага да преодолеят отблъскването си до края на своя живот.

Елементарни частици Б. Фелд описва феноменологичния подход:

“... квантовата теория изтри различието между частица и вълна. Паули и Ферми доказаха, че при някои процеси възниква нова форма на вълните на материята - неутрино. Дирак въведе понятието антиматерия и възможността за нейната материализация само от енергията на излъчването.

Удобни са модели, в които някои частици служат като че ли са строителни блокове, от които са построени останалите. (Всички частици са еднакво елементарни, но някои изглеждат по-елементарни от другите).

През 1924 Паули изказва хипотезата за съществуването на някаква двузначност на квантовите свойства на електрона, която не може да се опише класически".

“Електронът е истинска елементарна частица, защото не са открити възбудени състояния” - пише М. Браун - “Наличието на серия ротационни състояния говори за съществуването на структура. ... ние не можем да въртим по-силно или по-слабо точков обект. Елементарни в този смисъл се явяват електронът и фотонът. Протонът и неутронът не са. Намерени са възбудени ротационни състояния у протона и неутрона със спин чак до 9/2.”

Феномен (от гръцки) – пратеник на неизвестното. Ние наблюдаваме явления и обекти и се опитваме да ги изброим, да ги подредим и да намерим връзки, които да ни помогнат да разберем Природата. Първото разделяне е на частици и вълни, но се оказва, че частиците имат вълнови свойства, а лъчението при високи енергии напомня на корпускули (телца). Докато се приемат тези особености като даденост науката сама минира своите пътища. Следващата стъпка встрани е понятието елементарност. Целият свят около нас се изгражда в посока от просто към сложно. Но не и в главите на учените. Колкото по-надолу в етажите на микросвета “слизат”, толкова на по-големи чудовища и по-голям брой безкрайности се натъкват.

Магнитен момент

Роулънд (1848-1901) натоварил с електричество една изолирана пластинка, която при въртене отклонявала магнитна стрелка..

Айнщайн и холандския физик В. де Хааз провели серия експерименти. Феромагнитно прътче било окачено на тънка нишка, която се усуквала при неговото пренамагнитване. В статия (Die Naturwissenschaften, 1915 г.) написали: “Когато електрон обикаля около ядро подобно на планета около Слънцето, тази система има електромагнитните свойства на затворен електричен ток и свойствата на елементарен магнит. Системата се държи като жироскоп - ще се стреми да запази ориентацията си в пространството...” Феромагнетизмът е не от орбиталните движения на електроните, а от спиновите, за които величината на жиромагнитното отношение е два пъти по-малко. Магнитният момент на спина е два пъти по-голям. Айнщайн и де Хааз сбъркали два пъти.

В 1911 френският физик П. Вейс от емпирични данни заключил, че магнитните моменти на атомите, трябва да са кратни на някаква величина – магнетон.

Магнетонът (носи името на Бор) е

х=9,274.10^-24 J/Tl

Движението на зарядите е изхвърлено и магнитният момент се оказва обратно пропорционален на масата.

Смятали, че магнитният момент на протона ще се окаже 1840 пъти по-малък от μ_Б. През 1933 Щерн изследвал този проблем с молекулни снопове. Магнитният момент се оказал почти три пъти по-голям от очаквания.

μ_р = [2,792846] μ_я

По-късно квантуването (съществуването на порция магнитен момент) ще се използва от П. Дирак за обяснение на големината на електрическия заряд. Това магнитно свойство, което се разпростира надалеч от частицата и бе уловено от големите ни уреди (като колективен ефект), бе привлечено да обясни защо електрическият заряд е еднакъв в цялата Вселена.

Аномален магнитен момент

В 1947 П. Куш и Х. Фоли открили, че електронът притежава магнитен момент различаващ се от изчисления по релативистката теория на П. Дирак с множителя 1,00118. В 1948 Дж Швингер изчислил поправката на 1/2π.137 като приел, че по пътя си електронът внезапно излъчва фотон, а след това (о ужас! – възклицанието е на Файнман) го поглъща. Няма забрана да се излъчат и погълнат два фотона, но единият се превръща в електрон-позитронна двойка, която анихилира в нов фотон, който се поглъща. Втората поправка е във вида –0,328(1/137π)² и т. н.. Били са необходими 20 години за да се получи приемлив теоретически резултат. Осмата поправка съдържа 900 диаграми, всяка от които със 100 000 събираеми.

Експерименталните данни за различията от единицата за електрона и мюона са:

а_е±    0,0011596522(00)(±40)

а_μ     0,0011659202(14) (±6)

В скобите с ± е посочена погрешността в данните спрямо цифрите в предните скоби.

Смята се, че полето около частицата е изградено на стъпки с нарастваща сложност. Във врящото зърнесто поле виртуални (недействителни) частици приемат случайния образ на свръхтежки частици за изчезващо малки отрязъци от време. Няма друго обяснение за безкрайните изчисления. Но едва ли Природата “отделя” толкова внимание на полето на една частица при условието, че има толкова много други.

Науката трябва да има удобни за работа инструменти и това са  числата.

Танц на числата

Спектроскопията работи с 4 квантови числа: главно п, (п=1,2,3,4,….), орбитално l, (l=0,1,2…п-1), магнитно т, (т=-l…+l), спиново s, (s=±1/2). Спинът (въртенето) има отношение към свойствата на частиците, с цял 0,1,2 … са бозони, които имат стремеж да се скупчват в едно състояние и с полуцял – фермиони, които избягват да заемат едно и също състояние.

Квантовата хромодинамика (хромос - цвят, бел. авт.) описва взаимодействията на кварки (s=1/2) и глуони (s=1, glue-лепило). Quark идва от поема, в която героят стои на кърмата на кораб, а чайките крещят: “Три кварка за мистър…” Кварките са 6 сорта или аромата (u,d,s,c,b,t – горен, долен, странен, очарован, красота и връх) и имат допълнително квантово число цвят. Глуоните са двуцветни: червено-зелен, син-антижълт… Комбинациите са 8. Вътрешността на протон Показани са 6 up кварка, 3 anti-up, 4 down, 3 anti-down, 2 strange и 2 анти-странни, със спин 1/2 и трийсетина глуона със спин 1. Всички мислими комбинации могат да се поместят вътре.

Confinement – ограждение за цветовете

Глуоните превръщат кварките от един цвят в друг. От класическата физика се е промъкнал един интеграл по ъглово разпределение, който дава 2/3. В случая за u-кварка се получава заряд 2/3, а за d-кварка –1/3. Дробният електрически заряд се обяснява с числото на цветовете (червен, зелен и син). “Гледани” отдалече протоните и неутроните са безцветни (цветът не може да напусне затвора), а остатъчните цветни сили ги свързват в ядрата.

В 1959 Глешоу пише: "Един от проблемите се явява предполагаемата кварк-лептонна симетрия, която води към хипотезата за очарованието. В едната група можем да включим u- и d-кварките и електрона с електронното неутрино. Тези 4 частици са достатъчни за да се построи целия свят; те са достатъчни за създаването на атоми и молекули и даже за това да се застави да светят Слънцето и другите звезди. Другата подгрупа ще се състои от страния и очарования кварк, и мюона с мюонното неутрино. Изглежда като че ли Природата е могла да се задоволи само с първата подгрупа за своите цели. Разбира се втората подгрупа не е създадена само за развлечение, но каква е целта на такова дублиране?" С добавянето на трета група бе завършен “Стндартния модел”. В него всички частици са безмасови, а масата се поражда от особено поле поле изграждано от бозони.

Посочените числа, независимо от екзотичните си имена, са цели с изключение на спиновото, една втора, като две възможности за проекция по дадена ос, но Паули е видял вече посочената “двузначност на квантовите свойства на електрона, която не може да се опише класически”.

Съществува друга дроб, чието присъствие е ярко изразено.

Константа на фината структура, α = 1/137,036

В спектрите било забелязано фино разцепване с определена стойност и от тогава е останало това име за α. По-късно забелязали, че α е квадрата на заряда в естествени единици, а в 1931 П. Дирак, когато търсел обяснение за квантуването му, въвел магнитен заряд g, който умножен на електрическия е, давал eg/c = nh/4π. В cgs системата g = (137/2)e и оттогава без успех търсят магнитния монопол. α се дефинира като интензивност на електрическо взаимодействие между два електрона разделени на разстояние равно на комптоновата им дължина на вълната и α понякога се нарича константа на основната структура.

“Това е една от най-великите проклети тайни на физиката: магическо число, което ни е дадено и което човек съвсем не разбира. Това число е написала “ръката на Бога” и “ние не знаем какво е движило Неговия молив” – неизвестно е и защо Р. Файнман използва кавички.

Маса

Въпросът за масата е всъщност основния нерешен въпрос във физиката.

Приема се, че частиците са потопени в море от бозони на Хигс и придобиват маси от взаимодействие с тях. По думите на Мартинус Велтман, частиците се просмукват от бозоните на Хигс също като парченца попивателна хартия потопени в мастило.

Масите на частиците не следват никакъв разпознаваем образец.

Изчисления

И най-мощните компютри, смилайки числа месеци наред, не могат да изчислят масата на протона. Последните усилия са за включване приносите от кварки, които се появяват и изчезват от флуктуациите в енергията на динамичното море на вакуума.

Понятието елементарен не отразява обекта, а нивото на нашите знания за него.

Тези разкопки из историята на мисленето показват как се е натрупвало познание.

Следва действие второ - "Завесата се вдига" >>