Муниципальное бюджетное нетиповое общеобразовательное учреждение "Гимназия №1 имени Тасирова Г.Х. города Белово" Элементарные частицы Презентация к уроку физики в 11 классе (профильный уровень) Выполнила: Попова И.А., учитель физики Белово, 2012 г. ЦЕЛЬ: Ознакомление с физикой элементарных частиц и систематизация знаний по теме. Развитие абстрактного, экологического и научного мышления учащихся на основе представлений об элементарных частицах и их взаимодействиях Сколько элементов в таблице Менделеева? Всего лишь 92. Как? Там больше? Верно, но все остальные - искусственно полученные, они в природе не встречаются. Итак - 92 атома. Из них тоже можно составить молекулы, т.е. вещества! Но то, что все вещества состоят из атомов, утверждал еще Демокрит (400 лет до нашей эры). Он был большим путешественником, и его любимым изречением было: "Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства, все остальное - воззрение" Хронология физики частиц Демокрит Атом Дата Фамилия ученого Открытие (гипотеза) 400 лет до н.э. Начало XX 1910 г. 1928 г. 1928 г. 1929 г. в. Томсон Электрон Античастица - частица, имеющая ту Э. Резерфорд жеПротон массу и спин, но Дирак и Открытие позитрона противоположные значения зарядов Андерсон всех типов; А. Эйнштейн Фотон П. Дирак Предсказание существования 1931 г Паули Открытие нейтрино и антинейтрино 1932 г. Дж. Чедвик 1932 г 1930 г. 1935 г. античастиц Для любой Нейтрон элементарной частицы есть своя античастица - позитрон е+ В. Паули античастица Предсказание существования Юкава нейтрино n Открытие мезона Хронология физики частиц Дата Открытие (гипотеза) Перед физиками - теоретиками встала Второйупорядочить этап труднейшая задача весь 1947 г.обнаруженный Открытие π-мезона p в частиц космических "зоопарк" и лучах попытаться свести число фундаментальных До частиц начала кБыло открытодоказав, несколькочто сотен новых минимуму, другие 1960-х гг. состоят элементарных частиц, имеющих массы частицы из фундаментальных частиц в диапазоне от 140 МэВ до 2 ГэВ. Все эти частицы были нестабильными, т.е. распадались на частицы с меньшими массами, в конечном счете превращаясь в стабильные протон, электрон, фотон и нейтрино (и их античастицы). Хронология физики частиц Дата Фамилия ученого Открытие (гипотеза) Третий этап 1962 г. М. Гелл-Манн Предложили модель и независимо строения сильно Дж. Цвейг взаимодействующих частиц из фундаментальных частиц кварков 1995Эта г. модель к настоящему Открытие последнего из времени превратилась в ожидавшихся, шестого стройную теорию всех известных типов взаимодействий частиц. кварка Как обнаружить элементарную частицу? Обычно изучают и анализируют следы (траектории или треки), оставленные частицами, по фотографиям Классификация элементарных частиц Все частицы делятся на два класса: 1. Фермионы, которые составляют вещество; 2. Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие. Классификация элементарных Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а частиц также в слабых и в электромагнитных. Фермионы подразделяются на лептоны кварки. Кварки Гелл-Манн и Георг Цвейг предложили кварковую модель в 1964 г. Принцип Паули: в одной системе взаимосвязанных частиц никогда не существует хотя бы две частицы с тождественными параметрами, если эти частицы обладают полуцелым спином. М. Гелл-Манн на конференции в 2007 г. Что такое спин? Спин демонстрирует, что существует Спин (от англ. spin - вертеть[-ся], пространство состояний, никак не связанное с вращение) - собственный перемещением частицы в обычном момент пространстве; импульса элементарных частиц, Спин (от англ. квантовую to spin – крутиться) частои не имеющий природу сравнивают с угловым моментом «быстро связанный с перемещением частицы вращающегося волчка» - это неверно! как целого Спин является внутренней квантовой характеристикой частицы, которая не имеет аналога в классической механике; Спины некоторых микрочастиц Спин 0 Ообщее название частиц π-мезоны, K-мезоны, хиггсовский бозон, атомы и скалярные частицы ядра 4He, чётно-чётные ядра, парапозитроний 1/2 спинорные частицы 1 векторные частицы 3/2 спин-векторные частицы 2 Примеры электрон, кварки, протон, нейтрон, атомы и ядра 3He фотон, глюон, векторные мезоны, ортопозитроний Δ-изобары тензорные частицы гравитон, тензорные мезоны Кварки Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных. Заряды кварков дробные - от -1/3e до +2/3e (e - заряд электрона). Кварки в сегодняшней Вселенной существуют только в связанных состояниях - только в составе адронов. Например, протон - uud, нейтрон - udd. Четыре вида физических взаимодействий гравитационные, электромагнитные, слабые, Ядерные сильные. Механизм один: Слабое взаимодействие -взаимодействий меняет внутреннюю за счет обмена природу частиц. частицами Сильные взаимодействиядругими - обусловливают различные ядерные реакции, апереносчиками также возникновение сил, связывающих нейтроны взаимодействия. и протоны в ядрах. Четыре вида физических взаимодействий Электромагнитное И фотоны, и Взаимодействие Радиус действияКонст. взаимдств. взаимодействие: переносчик гравитоны не фотон. имеют массы Гравитационное -39 Гравитационное Бесконечно большой 6.10 взаимодействие: переносчики - (массы покоя) и кванты поля тяготения всегда движутся гравитоны. Электромагнитное Бесконечно большой 1/137 со скоростью Слабые взаимодействия: света. переносчики - векторные бозоны. Слабое Не превышает 10-16 см 10-14 Существенным отличием Переносчики сильных переносчиков слабого взаимодействий: глюоны (от-13взаимодействия от фотона Сильное Не glue превышает 10 см 1 английского слова - клей), и гравитона является их с массой покоя равной нулю. массивность. Свойства кварков Кварковые супермультиплеты (триада и антитриада ) Свойства кварков: цвет Кварки имеют свойство, называемое цветовой заряд. Существуют три вида цветового заряда, условно обозначаемые как синий, зелёный Красный. Каждый цвет имеет дополнение в виде своего антицвета - антисиний, антизелёный и антикрасный. В отличие от кварков, антикварки обладают не цветом, а антицветом, то есть противоположным цветовым зарядом. Свойства кварков: масса У кварков имеется два основных типа масс, несовпадающих по величине: масса токового кварка, оцениваемая в процессах со значительной передачей квадрата 4-импульса, и структурная масса (блоковая, конституэнтная масса); включает в себя ещё массу глюонного поля вокруг кварка и оценивается из массы адронов и их кваркового состава. Свойства кварков: аромат Каждый аромат (вид) кварка характеризуется такими квантовыми числами, как изоспин Iz, странность S, очарование C, прелесть (боттомность, красота) B′, истинность (топность) T. Свойства кварков: аромат Сим вол Название рус. англ. Заряд Масса Первое поколение d нижний down −1/3 ~ 5 МэВ/c² u верхний up +2/3 ~ 3 МэВ/c² Второе поколение s странный strange −1/3 95 ± 25 МэВ/c² c очарованный charm (charmed) +2/3 1,8 ГэВ/c² Третье поколение b прелестный beauty (bottom) −1/3 4,5 ГэВ/c² t истинный truth (top) +2/3 171 ГэВ/c² Характеристики d u кварков s c b t Характеристика Тип кварка Электрический заряд Q -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 Барионное число B Спин J Четность P Изоспин I Проекция изоспина I3 Странность s Charm c Bottomness b Topness t 1/3 1/3 1/3 1/3 1/3 1/3 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 +1 +1 +1 +1 +1 +1 1/2 1/2 0 0 0 0 -1/2 +1/2 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 +1 0.31 0.31 0.51 1.8 5 180 Масса в составе адрона, ГэВ Масса "свободного" кварка, ГэВ ~0.0 ~0.00 0.08- 1.1- 4.1- 174+ 06 3 0.15 1.4 4.9 5 РАССМОТРИМ ЗАДАЧИ Какая энергия выделяется при аннигиляции электрона и позитрона? Какая энергия выделяется при аннигиляции протона и антипротона? При каких ядерных процессах возникает нейтрино? А. При α - распаде. Б. При β - распаде. В. При излучении γ - квантов. Г. При любых ядерных превращениях При каких ядерных процессах возникает антинейтрино? А. При α - распаде. Б. При β - распаде. В. При излучении γ - квантов. Г. При любых ядерных превращениях Протон состоит из... А. . . .нейтрона, позитрона и нейтрино. Б. . . .мезонов. В. . . .кварков. Г. Протон не имеет составных частей. Нейтрон состоит из... А. . . .протона, электрона и нейтрино. Б. . . .мезонов. В. . . . кварков. Г. Нейтрон не имеет составных частей. Что было доказано опытами Дэвиссона и Джермера? А. Квантовый характер поглощения энергии атомами. Б. Квантовый характер излучения энергии атомами. В. Волновые свойства света. Г. Волновые свойства электронов. Какая из приведенных формул определяет длину волны деБройля для электрона (m и v - масса и скорость электрона)? Тест 1.Какие физические системы образуются из элементарных частиц в результате электромагнитного взаимодействия? А. Электроны, протоны. Б. Ядра атомов. В. Атомы, молекулы вещества и античастицы. 2. С точки зрения взаимодействия все частицы делятся на три типа: А. Мезоны, фотоны и лептоны. Б. Фотоны, лептоны и барионы. В. Фотоны, лептоны и адроны. 3. Что является главным фактором существования элементарных частиц? А. Взаимное превращение. Б. Стабильность. В. Взаимодействие частиц друг с другом. 4. Какие взаимодействия определяют устойчивость ядер в атомах? А. Гравитационные. Б. Электромагнитные. В. Ядерные. Г. Слабые. 5. Существуют ли в природе неизменные частицы? А. Существуют. Б. Не существуют. 6. Реальность превращения вещества в электромагнитное поле: А. Подтверждается на опыте аннигиляции электрона и позитрона. Б. Подтверждается на опыте аннигиляции электрона и протона. 7. Реакция превращения вещества в поле: А. е + 2γ→е+ Б. е + 2γ→е- В. е+ +е- =2γ. 8. Какое взаимодействие ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга? А. Сильное взаимодействие. Б. Гравитационное. В. Слабое взаимодействие Г. Сильное, слабое, электромагнитное. Ответы: В; В; А; В; Б; А; В; Г. Литература Периодическая система элементарных частиц / http://www.organizmica.ru/archive/508/pic-011.gif; Ишханов Б.С. , Кэбин Э.И. Физика ядра и частиц, XX век / http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/index.html ТАБЛИЦА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ / HTTP://LIB.KEMTIPP.RU/LIB/27/48.HTM Частицы и античастицы / http://www.pppa.ru/additional/02phy/07/phy23.php Элементарные частицы. справочник > химическая энциклопедия / http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_article_4519.html Физика элементарных частиц / http://www.leforio.narod.ru/particles_physics.htm Кварк / http://www.wikiznanie.ru/ruwz/index.php/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D1%80%D0%BA Физика ядра и элементарных частиц. Знания – сила. / http://znaniyasila.narod.ru/phisics/phisics_atom_04.htm Кварк. Материал из Википедии - свободной энциклопедии / http://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%E2%E0%F0%EA 2.О кварках. / http://www.milogiya.narod.ru/kvarki1.htm Гармония радуги / http://www.milogiya2008.ru/uzakon5.htm

Презентация на тему "Элементарные частицы" по физике в формате powerpoint. В данной презентации для школьников 11 класса объясняется физика элементарных частиц и систематизируются знания по теме. Цель работы - развить абстрактное, экологическое и научное мышления учащихся на основе представлений об элементарных частицах и их взаимодействиях. Автор презентации: Попова И.А., учитель физики.

Фрагменты из презентации

Сколько элементов в таблице Менделеева?

• Всего лишь 92.
• Как? Там больше?
• Верно, но все остальные - искусственно полученные, они в природе не встречаются.
• Итак - 92 атома. Из них тоже можно составить молекулы, т.е. вещества!
• Но то, что все вещества состоят из атомов, утверждал еще Демокрит (400 лет до нашей эры).
• Он был большим путешественником, и его любимым изречением было:
• "Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства, все остальное - воззрение"

Хронология физики частиц

• Перед физиками - теоретиками встала труднейшая задача упорядочить весь обнаруженный "зоопарк" частиц и попытаться свести число фундаментальных частиц к минимуму, доказав, что другие частицы состоят из фундаментальных частиц
• Все эти частицы были нестабильными, т.е. распадались на частицы с меньшими массами, в конечном счете превращаясь в стабильные протон, электрон, фотон и нейтрино (и их античастицы).
• Третий эта. М. Гелл-Манн и независимо Дж. Цвейг Предложили модель строения сильно взаимодействующих частиц из фундаментальных частиц - кварков
• Эта модель к настоящему времени превратилась в стройную теорию всех известных типов взаимодействий частиц.

Как обнаружить элементарную частицу?

Обычно изучают и анализируют следы (траектории или треки), оставленные частицами, по фотографиям

Классификация элементарных частиц

Все частицы делятся на два класса:

• Фермионы, которые составляют вещество;
• Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие.

Кварки

• Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных.
• Гелл-Манн и Георг Цвейг предложили кварковую модель в 1964 г.
• Принцип Паули: в одной системе взаимосвязанных частиц никогда не существует хотя бы две частицы с тождественными параметрами, если эти частицы обладают полуцелым спином.

Что такое спин?

• Спин демонстрирует, что существует пространство состояний, никак не связанное с перемещением частицы в обычном пространстве;
• Спин (от англ. to spin - крутиться) часто сравнивают с угловым моментом «быстро вращающегося волчка» - это неверно!
• Спин является внутренней квантовой характеристикой частицы, которая не имеет аналога в классической механике;
• Спин (от англ. spin — вертеть[-ся], вращение) — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого

Четыре вида физических взаимодействий

• гравитационные,
• электромагнитные,
• слабые,
• сильные.

• Слабое взаимодействие - меняет внутреннюю природу частиц.
• Сильные взаимодействия - обусловливают различные ядерные реакции, а также возникновение сил, связывающих нейтроны и протоны в ядрах.

Свойства кварков

• Кварки имеют свойство, называемое цветовой заряд.
• Существуют три вида цветового заряда, условно обозначаемые как
• синий,
• зелёный
• Красный.
• Каждый цвет имеет дополнение в виде своего антицвета —антисиний, антизелёный и антикрасный.
• В отличие от кварков, антикварки обладают не цветом, а антицветом, то есть противоположным цветовым зарядом.

Свойства кварков: масса

• У кварков имеется два основных типа масс, несовпадающих по величине:
• масса токового кварка, оцениваемая в процессах со значительной передачей квадрата 4-импульса, и
• структурная масса (блоковая, конституэнтная масса); включает в себя ещё массу глюонного поля вокруг кварка и оценивается из массы адронов и их кваркового состава.

Свойства кварков: аромат

• Каждый аромат (вид) кварка характеризуется такими квантовыми числами, как
• изоспин Iz,
• странность S,
• очарование C,
• прелесть (боттомность, красота) B′,
• истинность (топность) T.

Задачи

• Какая энергия выделяется при аннигиляции электрона и позитрона?
• Какая энергия выделяется при аннигиляции протона и антипротона?
• При каких ядерных процессах возникает нейтрино?
  • А. При α - распаде.
  • Б. При β - распаде.
  • В. При излучении γ - квантов.
• При каких ядерных процессах возникает антинейтрино?
  • А. При α - распаде.
  • Б. При β - распаде.
  • В. При излучении γ - квантов.
  • Г. При любых ядерных превращениях
• Протон состоит из...
  • А. . . .нейтрона, позитрона и нейтрино.
  • Б. . . .мезонов.
  • В. . . .кварков.
  • Г. Протон не имеет составных частей.
• Нейтрон состоит из...
  • А. . . .протона, электрона и нейтрино.
  • Б. . . .мезонов.
  • В. . . . кварков.
  • Г. Нейтрон не имеет составных частей.
• Что было доказано опытами Дэвиссона и Джермера?
  • А. Квантовый характер поглощения энергии атомами.
  • Б. Квантовый характер излучения энергии атомами.
  • В. Волновые свойства света.
  • Г. Волновые свойства электронов.
• Какая из приведенных формул определяет длину волны де-Бройля для электрона (m и v — масса и скорость электрона)?

Тест

• Какие физические системы образуются из элементарных частиц в результате электромагнитного взаимодействия? А. Электроны, протоны. Б. Ядра атомов. В. Атомы, молекулы вещества и античастицы.
• С точки зрения взаимодействия все частицы делятся на три типа: А. Мезоны, фотоны и лептоны. Б. Фотоны, лептоны и барионы. В. Фотоны, лептоны и адроны.
• Что является главным фактором существования элементарных частиц? А. Взаимное превращение. Б. Стабильность. В. Взаимодействие частиц друг с другом.
• Какие взаимодействия определяют устойчивость ядер в атомах? А. Гравитационные. Б. Электромагнитные. В. Ядерные. Г. Слабые.
• Существуют ли в природе неизменные частицы? А. Существуют. Б. Не существуют.
• Реальность превращения вещества в электромагнитное поле: А. Подтверждается на опыте аннигиляции электрона и позитрона. Б. Подтверждается на опыте аннигиляции электрона и протона.
• Реакция превращения вещества в поле: А. е + 2γ→е+ Б. е + 2γ→е- В. е+ +е- =2γ.
• Какое взаимодействие ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга? А. Сильное взаимодействие. Б. Гравитационное. В. Слабое взаимодействие Г. Сильное, слабое, электромагнитное.

Одним из главных свойств частиц является их способность превращаться друг в друга, рождаться и уничтожаться в результате взаимодействия.
Открытие позитрона, частицы по своим характеристикам похожей на электрон, но имеющей в отличие от электрона положительный единичный заряд, было исключительно важным событием в физике. Еще в 1928 году П. Дирак предложил уравнение для описания релятивистской квантовой механики электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, как с положительной, так и с отрицательной энергией. Состояние с отрицательной энергией описывает частицу аналогичную электрону, но имеющую положительный электрический заряд. Позитрон был первой открытой частицей из целого класса частиц, которые получили название античастиц. До открытия позитрона казалась необъяснимой неодинаковая роль положительных и отрицательных зарядов в природе. Почему существует тяжелый положительно заряженный протон, и нет тяжелой частицы с массой протона и отрицательным зарядом? Зато существовал легкий отрицательно заряженный электрон. Открытие в 1932 г. позитрона по существу восстановило зарядовую симметрию для легких частиц и поставило перед физиками проблему поиска античастицы для протона. Другая неожиданность - позитрон является стабильной частицей и может в пустом пространстве существовать бесконечно долго. Однако при столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция. Электрон и позитрон исчезают, и вместо них рождаются два γ -кванта

Происходит превращение частиц с массой покоя отличной от нуля в частицы с нулевой массой покоя (фотоны), т.е. масса покоя не сохраняется, а превращается в кинетическую энергию.
Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен и процесс рождения пары электрон-позитрон. Электрон-позитронные пары легко рождались -квантами с энергией в несколько МэВ в кулоновском поле атомного ядра. В классической физике понятия частицы и волны резко разграничены - одни физические объекты являются частицами, а другие - волнами. Превращение пары электрон-позитрон в фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что между излучением и веществом много общего. Процессы аннигиляции и рождения пар заставили по-новому осмыслить, что же такое частицы, которые ранее называли элементарными. Частица перестала быть неизменным "кирпичиком" в строении материи. Возникла новая чрезвычайно глубокая концепция взаимного превращения частиц. Оказалось, что частицы могут рождаться и исчезать, превращаясь в другие частицы.
В созданной Э. Ферми теории -распада было показано, что испускаемые в процессе -распада электроны не существуют в ядре, а рождаются в результате распада нейтрона. В результате этого распада исчезает нейтрон n и рождается протон p, электрон e - и электронное антинейтрино e .

В результате реакций между антипротоном и протоном p, в зависимости от энергии сталкивающихся частиц, могут рождаться различные частицы

Положительно заряженный К + -мезон, среднее время жизни которого 1.2∙ 10 -8 с, распадается одним из приведенных ниже способов (справа приведены относительные вероятности распадов.

Λ -гиперон и Δ 0 -резонанс имеют примерно одинаковые массы, распадаются на одни и те же частицы - протон и π - -мезон. Большое различие в их времени жизни обусловлено механизмом распада. Λ -гиперон распадается в результате слабого взаимодействия, а Δ 0 -резонанс - в результате сильного взаимодействия.

При распаде отрицательного мюона ( -) в конечном состоянии наряду с электроном появляются две нейтральные частицы - мюонное нейтрино ν μ и электронное антинейтрино e . Этот распад происходит в результате слабого взаимодействия.

Cлайд 2

Cлайд 3

Cлайд 4

Cлайд 5

Можно ли путешествовать во времени? Не мысленно, как это делают писатели-фантасты, а по-настоящему — с помощью определенных технических средств? Или, по крайней мере, построить «хроноскоп», который позволял бы рассматривать детали прошлого подобно тому, как микроскоп позволяет разглядывать мелкие детали в пространстве? Теория относительности научила нас, как ускорять или замедлять время. Теперь, казалось бы, остался один шаг — научиться его поворачивать. Что мешает этому? Только лишь наше неуменье, недостаток знаний или же какие-то фундаментальные законы? Физика XX века уже приучила нас к мысли, что многое из считавшегося ранее принципиально недопустимым может происходить в каких-то особых, специфических условиях. Действительно, формулы теоретической физики подсказывают, что если бы удалось создать генератор лучей, обгоняющих свет, мы смогли бы высвечивать цепочки событий в обратном направлении — от настоящего в прошлое, а опыты на ускорителях элементарных частиц обнаружили явления, где противопоставление прошлого и будущего приводит к неоднозначности. Может, все же удастся создать «машину времени» и «хроноскоп» хотя бы в микромире? Поиском ответов на эти вопросы заняты многие физические лаборатории. В статье рассказывается о проблемах и трудностях, лежащих на этом пути, говорится о теоретических и экспериментальных исследованиях движений со сверхсветовой скоростью.

Скорость и время
В старой, ньютоновской физике время абсолютно — показания часов не зависят ни от скорости их движения, ни от каких-либо других причин. Часы на башне собора и в движущемся дилижансе всегда показывают одно и тo же время. Иначе ведет себя время в современной физике быстро движущихся тел. Стрелки перемещающихся часов идут медленнее неподвижных, их отставание будет тем заметнее, чем больше скорость движения.
Правда, даже для космических кораблей, пересекающих сегодня просторы космоса, отставание времени еще очень мало и станет ощутимым, когда их скорости возрастут по крайней мере в. несколько сот раз. Но вот в мире элементарных частиц эффект замедления времени весьма заметен. Например, время жизни покоящегося мю-мезона — около миллионной доли секунды, ничтожный миг; далее мю-мезон распадается на более легкие частицы. Однако быстрый мю-мезон, рожденный космической частицей в высотных слоях атмосферы, становится долгожителем. Он живет так долго, что успевает пройти сквозь всю толщу воздуха и распадается лишь глубоко под землей. Пользуясь эффектом замедления времени, физики транспортируют пучки ускоренных коротко-живущих частиц на большие расстояния. Подобное оборудование имеется во многих физических лабораториях.
Если движется не только наблюдаемое тело, но и сам наблюдатель, то его скорость тоже влияет на длительность происходящих с телом событий. Например, длительность события будет различной в зависимости от того, наблюдают его с космодрома или с борта стремительно летящей ракеты. Однако порядок событий, то есть какое из них произошло раньше, а какое позднее, во всех случаях остается неизменным. Выбором системы координат — движущейся или неподвижной — можно сократить или, наоборот, растянуть продолжительность события, но направление времени изменить нельзя.
Для объяснения наблюдаемой в опытах зависимости времени (и размеров тел) от скорости движения в начале нашего века была создана новая наука — теория относительности, само название которой говорит об относительности определения физических величин. Эта теория прекрасно согласуется с экспериментом и является фундаментом современной физики.
Хотя теория относительности создана на основе «досветовых явлений», протекающих со скоростями меньшими или равными скорости света, в её формулах нет никаких условий или ограничений, запрещающих их применение в «засветовой области» — при сверхсветовых скоростях. И вот тут обнаружилась замечательная особенность этих формул. Они приводят к заключению, что в процессах с участием «сверхсветовых тел» от скорости зависит не только длительность, но и сам временной порядок событий! Пилот одной ракеты скажет, что событие А произошло раньше события Б, а пилот второй ракеты, движущейся с иной скоростью, увидит их в обратном порядке. Время для этих наблюдателей будет идти в противоположных направлениях. То, что для одного — прошлое, для другого — будущее. Это похоже на то, как если бы в кино прокрутили пленку в обратном направлении. И нельзя сказать, какое направление времени истинное, как нельзя установить, какая сторона является правой, а какая — левой. Для меня это — правая, а для стоящего лицом ко мне человека — левая. И мы оба правы — относительность!
Временная динамика сверхсветовых явлений разительно отличается от того, к чему мы привыкли в «досветовом мире». В процессах, протекающих быстрее света, подходящим выбором системы координат можно обратить время вспять. Получается, что сверхсветовые частицы — это объекты, свободно путешествующие во времени. Давняя мечта фантастов!
Но вот существуют ли в природе такие частицы? Как и где следует их искать? И вообще, не приводит ли предположение о сверхсветовых скоростях к противоречию с другими положениями современной физической теории, ведь не все же гипотезы физиков реализуются в природе... С другой стороны, если сверхсветовых скоростей нет, то это, в свою очередь, потребует объяснения: может быть, за этим кроется какой-то новый физический закон?

Факты и предположения
Недавно мне попал в руки научно-фантастический роман С. Снегова «Люди как боги». Там звездолеты летают с любыми скоростями в пять, десять, сто раз быстрее света! Среди созвездий они ведут себя, как грузовик на узкой улице: развернулся в созвездии Персея, задним ходом углубился в соседнее шаровое скопление, оттуда устремился в созвездие Плеяд... Феерическая картина! А собственно, почему это невозможно?
Правда, в любом учебнике физики можно найти утверждение, что в природе существует некоторая максимальная скорость. Это скорость света в вакууме. Считается, что ни одно тело не может двигаться быстрее. Однако это всего лишь постулат, теоретическая гипотеза. То, что в эксперименте еще никогда не встречались сверхсветовые скорости, нельзя рассматривать как их стопроцентный запрет. Не встречались при одних условиях, могут встретиться при других. Пока не найдены законы, которые это исключают, вопрос остается открытым.
Большинство физиков сегодня склоняется к мнению, что сверхсветовых скоростей в природе нет, тем не менее вопрос продолжает беспокоить. В журналах нет-нет да и снова вспыхивает дискуссия о сверхсветовых явлениях. Мой аспирант составил список статей по этой проблеме, их оказалось более полутора тысяч! И основная часть появилась в журналах в последние десять—пятнадцать лет.
Действительно, что ограничивает скорость движения? Ведь скорость света, мгновенная по сравнению со скоростями, с которыми нам приходится иметь дело в нашей повседневной жизни, оказывается весьма скромной при переходе к космическим масштабам. Даже с аппаратами, исследующими ближайшие к нам планеты Солнечной системы, обмен сигналами происходит уже с весьма заметным запаздыванием. Неужели нельзя передвигаться и передавать информацию быстрее?
Чтобы разобраться в этих сложных вопросах, познакомимся сначала со свойствами, которыми должны обладать сверхсветовые частицы и состоящие из них тела. Это поможет выявить трудности, к которым приводит гипотеза сверхсветовых движений.

Зазеркалье скоростей
Частицы, движущиеся со скоростями, большими скорости света, принято называть тахионами — от греческого слова «тахис», что означает «быстрый», «стремительный». Досконально изучить их свойства можно будет после того, как такие частицы откроют на опыте. Однако некоторые их особенности можно предсказать теоретически на основе уже известных физических законов. Один из них — взаимосвязь массы и скорости частицы.
При обычных условиях эта взаимосвязь чрезвычайно слабая, и мы ее просто не замечаем. Однако если скорость тела становится сравнимой по своей величине со скоростью света, масса тела начинает возрастать, и дальнейшее увеличение скорости требует затрат все большей и большей энергии. Это явление называют световым барьером. Приближаться к нему так же трудно, как трудно подниматься на крутую гору путнику, имеющему за плечами рюкзак, тяжелеющий с каждым метром подъема. Чтобы достичь скорости света, разгоняя какие-либо частицы, например легкие электроны, пришлось бы затратить бесконечное количество энергии.
Казалось бы, это исключает всякие надежды на открытие сверхсветового вещества. Долгое время так и считали. Однако если посмотреть внимательнее, то можно заметить, что на самом деле отсюда вытекает лишь невозможность превращения обычных, досветовых частиц в тахионы путем непрерывного увеличения скорости. Но возможен взгляд и с другой стороны. Подобно тому как нейтрино и фотоны уже при самом их рождении обладают световой скоростью, тахионы должны иметь сверхсветовую скорость с самого момента их появления. Это означает, что тахионы — частицы совершенно нового типа. Они никогда не переходят через световой барьер на нашу, досветовую сторону. Они рождаются, живут и исчезают, всегда обладая скоростью, большей скорости света. Впервые на это обстоятельство лет двадцать назад обратил внимание советский физик Я. П. Терлецкий. Это поставило проблему. тахионов на твердую почву. После этого, собственно, и началось серьезное изучение их свойств.
Заметьте, обычные частицы приближаются к световому барьеру, когда их скорость возрастает, а тахионы, наоборот,— при уменьшении скорости. Если на классной доске провести мелом вертикальную линию и считать, что это — световой барьер, то слева будет область досветовых частиц, справа — область тахионов. На самом барьере масса и энергия очень велики, при удалении от него вправо или влево они уменьшаются. Световой барьер напоминает энергетическую горку со спусками в сторону меньших и больших скоростей. Теряя энергию, обычная частица замедляется, а тахион, напротив, ускоряется! Шарик из тахионного вещества, скатываясь с горки, теряет скорость — тормозится, падающее сверху тахионное яблоко будет замедляться. Зато сверхсветовая пуля под действием сопротивления воздуха должна, как это ни удивительно... разгоняться! По сравнению с обычными частицами кинематические свойства сверхсветовых частиц оказываются буквально вывернутыми наизнанку!
Мир тахионов — своеобразный антимир скоростей, своего рода Зазеркалье. Зазеркалье скоростей.
Однако этим дело не кончается. У сверхсветовых частиц есть еще несколько удивительных особенностей.

Скорость из ничего, частицы-призраки и другие чудеса сверхсветового мира
Знаменитый,враль барон Мюнхаузен однажды сам себя вытащил из болота, за волосы. Так сказать, приобрел скорость из ничего, без всякой внешней силы — с точки зрения физики, явление абсолютно невозможное. Но тахионы, по-видимому, умеют это делать. Они способны самоускоряться. Например, если электрон движется в среде со скоростью, большей так называемой фазовой скорости света (она равна скорости света в вакууме, деленной на показатель преломления среды), то в этой среде возникает специфическое электромагнитное излучение, называемое во всем мире черенковским — по имени открывшего его советского физика П. А. Черенкова. Тахионы, по-видимому, должны вызывать черенковское излучение даже в вакууме, поскольку их скорость всегда больше скорости света. Это излучение уменьшает энергию тахиона и, следовательно, увеличивает его скорость. Иначе говоря, тахион самоускоряется — сам по себе, без всякой внешней силы, разгоняется в пустом пространстве.
Ускоряться за счет потери энергии! Опять все не так, «как у людей»!
Правда, не все физики согласны с этим выводом. Некоторые из них приводят соображения в пользу того, что тахионы все же не должны излучать в вакууме. Пока не ясно, кто прав. Рассудить, наверное, сможет лишь эксперимент. Предпринимавшиеся до сих пор поиски черенковского излучения тахионов не увенчались успехом. Никаких излучений в вакууме не обнаружено. Впрочем, не ясно, были ли вообще там тахионы. Опыт ставился так, что если бы удалось заметить излучение, тогда можно было бы с уверенностью говорить о сверхсветовых частицах, излучение служило бы сигналом их присутствия. Если же излучения нет, то вывод неоднозначен: либо тахионы не излучают, либо их вообще не было в данном опыте. Так что окончательный ответ еще впереди.
Как уже говорилось выше, время жизни нестабильной частицы возрастает при увеличении ее скорости. А вот пространственные размеры, ее длина в направлении движения при этом уменьшается — частица сжимается, становится похожей на лепешку. Конечно, как и замедление времени, этот эффект становится заметным только при очень больших скоростях. Так, летящий скоростной самолет, по сравнению с его длиной на аэродроме, сжимается на величину приблизительно в сотню тысяч раз меньшую толщины человеческого волоса. Ракета, выводящая на орбиту спутник, сокращается в своей длине примерно на один микрон. Другое дело, если бы она двигалась со скоростью, равной половине скорости света или чуть больше. Тогда изменение ее размеров составляло бы уже около десятка метров.
Нельзя не признать, что с позиций обыденного опыта увеличение времени жизни и сокращение длин движущихся предметов выглядят весьма непривычно. Но еще удивительнее ведут себя сверхсветовые тела. Формулы теории относительности предсказывают, что продольные размеры разгоняющегося тахиона растут,— по отношению к неподвижному наблюдателю сверхсветовая частица как бы распухает вдоль оси своего движения, а течение времени по неподвижным часам резко убыстряется. В пределе, при бесконечно большой скорости, тахион вытягивается по всей бесконечно длинной траектории. Его масса| и энергия при этом становятся равными нулю. Опять все наоборот по сравнению с обычными частицами!
Отдав всю энергию, тахион становится безынерционной струей материи, распределенной сразу вдоль всей своей траектории. Можно сказать и по-другому: тахион с бесконечной скоростью находится сразу во всех точках своей траектории и проскакивает ее мгновенно. А это означает, что тахион существует только в один-единственный момент, а в остальное время его нельзя обнаружить ни в одной точке пространства. И может случиться так, что, начав двигаться, находящийся в абсолютно пустом пространстве наблюдатель вдруг обнаружит, что пространство вокруг него заполнено тахионами. Число частиц оказывается зависящим от скорости наблюдателя. Изменяя скорость ракеты, космонавт каждый раз будет видеть вокруг себя различную плотность материи. Тахионы, как призраки в старом английском замке, то исчезают, то вдруг вновь появляются будто из ничего. Согласитесь, эффект более удивительный, чем «простая» зависимость длины предметов от скорости!
Самоускорение, распухание, размазывание по всей траектории — это действительно очень непривычные и странные свойства. Однако «странно»— не значит «нельзя». К необычным явлениям и свойствам можно привыкнуть. Важно, что сами по себе они не противоречат фундаментальным законам природы.
Значительно более серьезные трудности связаны с беспричинными сверхсветовыми процессами. Оказывается, и такие возможны для тахионов!

Проблема причинности
Первоначально физикам казалось, что вопиющим противоречием является уже сам факт изменения временного порядка в процессах с тахионами. Ведь если, например, один наблюдатель зафиксировал, что тахион испущен атомом урана и поглощен атомом серы, то другой наблюдатель может увидеть, что атом серы поглощает тахион, который еще только будет испущен ураном. Явная бессмыслица!
Выход нашел работающий ныне в США пакистанский физик Сударшан. Он учел, что любому процессу с элементарными частицами всегда соответствует обратный, в котором частицы заменены на античастицы. Такая симметрия хорошо проверена на опыте. С формальной точки зрения прямой и обратный процессы можно объединить вместе, если античастицы рассматривать как частицы, движущиеся обратно по времени. А раз так, то допустимо считать, что второй наблюдатель увидит процесс, в котором атом серы испускает антитахион, а атом урана его поглощает. И никакого противоречия нет.
Тем не менее если судить «по большому счету», то противоречия все же остаются. Дело в том, что ни один сверхсветовой процесс нельзя изолировать от окружающей «досветовой» обстановки. Это можно сделать лишь в теории, а в реальном мире всякое явление бесконечным числом связей скреплено с окружающими телами. Полностью отгородиться от них невозможно. Так устроен мир. Неисчерпаемость свойств и взаимосвязей — одна из основных его характеристик. Поэтому изменение направления времени в сверхсветовом процессе неизбежно приходит в противоречие со «стрелой времени», определяемой движением досветовых тел и происходящими с ними событиями. При этом возникают похожие на чудо ситуации, в которых нарушена причинная связь событий. Следствие может опередить вызывающую его причину!
Допустим, например, что охотник тахионной пулей поражает сидящую на столбе ворону. Космонавт же в иллюминатор пролетающей мимо ракеты увидит, что по какой-то непонятной причине из вороны вылетела тахионная пуля, которая была поймана ружьем охотника. А главное, тот каким-то образом заранее точно знал, в какую сторону и под каким углом ему следует направить ствол ружья, чтобы поймать шарик тахионного вещества! Космонавту все это покажется подлинным чудом.
Как избавиться от нарушений причинности в процессах с тахионами — остается неясным. Недавно итальянским физикам удалось показать, что нарушение причинности всегда сопровождается нарушением законов сохранения энергии и импульса. Другими словами, если требовать точного выполнения этих законов, то нарушающие причинность взаимодействия просто не должны осуществляться, и физическое тело по отношению к тахионам будет вести себя как абсолютно прозрачное. К сожалению, это не устраняет всех противоречий. Итальянские ученые предполагали, что тахион взаимодействует сразу со всем телом. Однако если невозможно взаимодействие тахиона с телом как целым, то может произойти взаимодействие с его частью или наоборот, и трудность с причинностью остается.
Результат итальянских физиков можно считать теоретическим доказательством того, что в больших, макроскопических областях пространства и времени тахионов нет, так как иначе нарушалась бы не только причинность, но и законы сохранения энергии-импульса. И тахионы, если они все же существуют в природе, по-видимому, не могут выходить за пределы ультрамалых пространственно-временных областей, где нельзя установить строгой временной последовательности событий. Зависимость временного порядка от системы координат в этом случае, уже не будет нарушать причинность. Опыты с распадами элементарных частиц действительно указывают, что в субмикроскопических областях, меньших 10~17 сантиметра и 10~27 секунды, противопоставление прошлого и будущего становится весьма неопределенным или же имеет смысл, весьма далекий от того, к чему мы привыкли в нашем микромире.
При этом, конечно, возникает вопрос — что же удерживает тахионы в ультрамалых областях, не дает им разлетаться? Тахионы останутся там запертыми, если, например, они — короткоживущие частицы и обладают способностью самоускоряться. Их время жизни уменьшается с увеличением скорости, поэтому, самоускоряясь, они будут распадаться почти сразу же вблизи точки своего рождения. Могут быть и другие причины «пленения» сверхсветового вещества — природа неистощима на выдумки.
Как бы там ни было, в настоящее время нет никаких — ни философских, ни «чисто физических»— запретов участию тахионов в явлениях микромира и, соответственно, обращению там направления времени. А вот существуют ли они на самом деле, такие удивительные объекты и явления,— здесь слово за экспериментом.

Поиски сверхсветовых эффектов
Понятно, что обнаружить тахионы можно лишь по следам, которые они оставляют в окружающем веществе. Но могут ли вообще частицы со столь необычными свойствами взаимодействовать с обычным, досветовым веществом наших приборов? Некоторые ученые считают, что не могут. Если это так, то тахионы — ненаблюдаемые объекты, а досветовой и сверхсветовой миры оторваны один от другого — у них просто нет точек соприкосновения. Трудно, однако, думать, что в природе, где все взаимосвязано и взаимообусловлено, могут существовать материальные тела, которые ничем себя не проявляют и принципиально не наблюдаемы. Если же между тахионами и досветовым веществом есть взаимодействие, то тахионы должны рождаться при столкновениях досветовых частиц, и можно попытаться зафиксировать их с помощью имеющихся в нашем распоряжении средств.
Таких опытов выполнено уже немало. В ряде случаев отмечались эффекты, которые в принципе можно было бы приписать сверхсветовым частицам. Однако всегда удавалось найти и более привычные объяснения. Например, английские физики изучали распространение ливней вторичных частиц, образуемых в земной атмосфере высокоэнергетическими частицами космического излучения. Во многих ливнях детекторы зафиксировали сигналы, значительно опережающие приход лавины частиц. Этот результат можно объяснить, допустив, что в ливне присутствуют частицы со скоростями намного большими, чем у остальных. А поскольку скорость большинства частиц в ливне близка к скорости света, это, казалось бы, подтверждает присутствие тахионов. К сожалению, более детальный анализ показал, что, сделав некоторые дополнительные предположения, не выходящие за рамки известной досветовой физики, опережающие сигналы детектора можно объяснить причинами технического характера — как неточные, ложные выбросы.
Особенно часто сверхсветовые аномалии возникают в астрономических наблюдениях, где детали движения изучаемых объектов бывают плохо известны. Так, недавно в печати сообщалось о наблюдении астрофизиками Массачусетсского технологического института в США сверхсветовых выбросов из квазаров — излучающих огромную энергию космических объектов на краю видимой нами части Вселенной. Из сравнения двух фотографий, сделанных с интервалом примерно в один год, получен вывод, что выбросы удаляются от квазаров со скоростью, в несколько раз превосходящей световую. Тем не менее последующий анализ обнаружил такие особенности процессов, которые устранили противоречия с «досветовой физикой». Сверхсветовой эффект оказался иллюзией.
Интересный опыт по поиску тахионов в микропроцессах выполнили американские физики. Они допустили, что тахионы взаимодействуют с протонами, мезонами и другими ядерными частицами, но время их жизни чрезвычайно мало. Поэтому следы их рождения можно заметить лишь по специфическим искажениям распределений других частиц по импульсам и углам вылета. При тщательной обработке экспериментальных данных действительно обнаружены некоторые аномалии в распределениях вторичных частиц, рождающихся в реакциях. Эти данные хорошо объяснялись, если предположить, что сталкивающиеся досветовые частицы в ходе реакции обмениваются тахионами с массой, несколько превышающей массу протона, и временем жизни около 10^24 секунды. Однако и в этом случае однозначный вывод о рождении тахионов сделать нельзя — результаты наблюдений можно объяснить и с помощью известных теорий. По мнению выполнявших эксперимент физиков, такое объяснение более сложно, но... срабатывает знаменитая «бритва Оккама»— принцип «не вводить сущностей сверх необходимого». Были выполнены и другие эксперименты. Ни один из них яе дал убедительных доказательств существования в природе сверхсветовых явлений. Но они не доказали и обратного, поскольку во всех опытах есть особенности, которыми можно, хотя бы отчасти, объяснить их неудачу.

Каков же вывод?
Мы видим, что невозможность изменить направление времени уходит своими корнями в самые фундаментальные свойства материального мира,— неисчерпаемость его внутренних взаимосвязей и их причинную обусловленность. В конечном счете, именно эти свойства запрещают путешествия в машине времени, о которых так часто рассказывается в научно-фантастических романах. Наблюдать изменение порядка событий в зависимости от скорости регистрирующих приборов, возможно, удастся лишь внутри субмикроскопических пространственно-временных инвервалов.
Что же касается сверхсветовых скоростей, то здесь дело сложнее,— вообще говоря, они могут быть и в области макроскопических явлений. Не следует забывать, что вывод об их связи с обращением времени получен на основе формул теории относительности, которые могут оказаться несправедливыми вблизи светового барьера, где концентрация энергии возрастает «почти до бесконечности». Абсолютный нуль и бесконечность всегда были источниками новых открытий. В окрестностях светового барьера, возможно, потребуется обобщение теории, тогда условия причинности для сверхсветовых частиц могут стать совсем иными и не будут приводить к противоречиям. Хотя такая возможность сегодня кажется маловероятной, но все же... Вешая знак «кирпич» на дорогах физики, следует быть осторожным. Наука не раз демонстрировала нам, как переход в область новых явлений открывает процессы, казавшиеся ранее совершенно недопустимыми.