Пузырьковая камера

Скелеты умерших идей

Всякая эволюция — и живых существ, и науки с техникой — это отнюдь не победоносное шествие все вперед и вперед от простого к сложному. Вот клетки сбились в кучку, вот кучка отрастила ноги и выползла на сушу, вот существо с ногами берет палку — и вот он, наконец, человек. Динозаврам в такой схеме места нет: они — тупиковая ветвь, отбракованная на полпути к вершине (в нашем лице). Чем и интересны, кстати. Если бы существовала только одна идеальная прямая от амебы к человеку или от зеркала Архимеда к коллайдеру, жить было бы намного скучнее.

Разнообразные научные инструменты, вышедшие из употребления, — это для исследователя как ископаемые останки для палеонтолога. К костям обращаются, когда выживших представителей вида нет. С наукой прошлого дело обстоит похожим образом: идеи и теории, которым удалось выжить, описаны во всех учебниках. А тупиковые ветви, с которыми, как и с динозаврами, связано немало интересного, приходится исследовать по немногим материальным следам.

Иногда эти следы поражают своими размерами в не меньшей степени, чем череп какого-нибудь мамонта. Гигантский прибор — часто признак тупика: параметры инструмента улучшают не за счет привлечения новых идей, а путем его увеличения. Всем известны, к примеру, чудовищно длинные — в десятки метров — «подвесные телескопы» Яна Гевелия. Это потом их сменили относительно компактные рефлекторы и карликовые по земным меркам космические обсерватории.

• Калькулятор для атомной бомбы

Как рассчитать динамику атомного взрыва и его последствия? Смоделировать математически такой процесс стало возможным только после того, как были изобретены электронные компьютеры. И все равно до 1980-х годов даже физики-ядерщики трижды думали, прежде чем заказывать многосуточные вычисления на громадных ЭВМ, час работы которых стоил бешеных денег.

Естественно, возникла потребность в простом инструменте, который бы позволял некоторые «взрывные» вычисления проводить быстро и просто. Такое устройство стало открыто продаваться в США в 1960-х годах. К 762-страничной книге «Эффекты ядерного оружия» прилагалась (ее можно было приобрести и отдельно) своего рода круговая логарифмическая линейка — пластиковая конструкция из нескольких наложенных друг на друга дисков. Вращая их, можно было вычислить глубину взрывного кратера или, к примеру, давление ударной волны на расстоянии в десятки километров от эпицентра. «Если установить бегунок на отметке в 100 килотонн, — гласила инструкция, — легко сосчитать, что в 1,4 мили от эпицентра взрыв придаст человеку весом 165 фунтов скорость 40 футов в секунду».

Чуть раньше, в самом начале 1950-х, Коннектикутский штаб гражданской обороны напечатал тираж похожих «круговых линеек» для расчета дозы радиации, полученной при взрыве. Каждому желающему предоставлялась возможность оценить степень облучения в зависимости от расстояния от эпицентра, времени нахождения в зараженной зоне и других параметров.

Еще одна вариация на тему круговой логарифмической линейки предназначалась физикам, и только физикам. Устройство Relativator, как следует из названия, выдавало величины растяжения времени, сокращения длины и особенности сложения скоростей, предсказываемые теорией относительности Эйнштейна.

Такой виртуальный «релятиватор» хорошо смотрелся бы на айпаде, и наверняка кто-нибудь его в таком качестве воскресит.

• Воздушный шар в космосе

Младенчество любой технологии, будь то Интернет или космические полеты, — время буйного цветения разнообразных идей, большая часть которых очень скоро умирает. В 1960-х самые передовые приборы конструировали для космоса — тут простор для неожиданных решений был безграничен. 12 августа 1960 года от военного спутника MIDAS отделился, надулся и двинулся дальше по орбите шар диаметром 30,5 метра (вместе с ним в космос были подняты баллоны с гелием). К тому времени у воздушных шаров не было никаких шансов вернуться в строй обычных летательных аппаратов, однако им нашлось место за пределами атмосферы. Запущенное в космос устройство, названное ECHO-1, должно было ни много ни мало «подменить» собой Луну.

Шару отводилась роль зеркала, способного посланные из одной точки Земли радиосигналы отражать в другую. Радиосвязь на расстояниях в тысячи километров только-только начинали осваивать всерьез. Посылать сигналы, к примеру, на другой континент можно было, используя отражение радиоволн от земной ионосферы , но любая магнитная буря все портила. Для надежной связи с Европой по-прежнему использовали трансатлантический кабель, но, поскольку холодная вой на была в самом разгаре, США всерьез опасались, что СССР возьмет да и перебьет кабель. Поэтому военные и сделали ставку на космос.

Поначалу в качестве зеркала использовали Луну, поскольку она и так, без всяких трат, крутится вокруг Земли. Первый удачный эксперимент был проведен еще в 1954-м. А в начале 1960-х Гавайи связывались с Вашингтоном именно таким образом — через Луну. Правда, для этого приходилось использовать мощные передающие антенны — как-никак сигнал преодолевал 400 000 километров туда и столько же обратно. Но главное, Луна далеко не всегда одновременно видна адресату и отправителю, а значит, такой канал постоянную связь не обеспечивает.

Расчеты по проекту с шаровым отражателем проводило NASA, а соорудить сам шар, способный надуться в космосе, доверили Гилмору Скьельдалю — человеку без высшего образования, прославившемуся изобретением гигиенических пакетов для авиапассажиров и заработавшему миллионы на технологиях, связанных с входившим тогда в моду пластиком. На шар пошло 3000 м2 майлара — материала, служившего основой для магнитофонной пленки, покрытого тончайшим слоем алюминия.

Система сработала: лаборатории Белла в Нью-Джерси без проблем обменялись сообщениями сначала с базой NASA в Калифорнии, а потом и с радиостанциями Англии. Несколько лет космический воздушный шар активно использовался в США для передачи теле- и радиосигналов: новости про Карибский кризис и гибель Кеннеди, прежде чем добраться до рядовых американцев, «отразились» от его алюминированной оболочки. ECHO-1 сгорел в атмосфере в 1968-м. До того NASA успело запустить его двойника ECHO-2, но вскоре переключилось на «активные» спутники связи — полноценные орбитальные ретрансляторы, способные принимать и передавать сигналы. О проекте ECHO сегодня почти не вспоминают. Разве когда речь заходит о космических кораблях с «солнечным парусом», способных передвигаться в космосе без топлива, за счет давления света. На движение огромного пустого шара это давление влияло весьма заметно.

• 480 миллионов иголок

Угадайте, какой самый распространенный предмет на земной орбите? Медная игла длиной 1,78 сантиметра и диаметром 18 микрон. Мелко нарубленная медная проволока как-то не очень ассоциируется с научным инструментом. Однако облако из 480 миллионов иголок, беспорядочно крутящихся вокруг Земли, — ближайший родственник шаров ECHO. Это следы еще одного, не менее смелого эксперимента радиофизиков из NASA, искавших способ обеспечить надежную связь на больших расстояниях.

Авторы проекта, получившего название «Вестфорд», рассуждали так: что мешает изготовить искусственную ионосферу, лишенную недостатков природной? «Зеркало» для радиоволн — не обязательно сплош ной предмет. Мы знаем, что самые большие ра дио антенны делают сетчатыми. Иглы, запущенные в космос в 1963 году, и должны были образовать там гигантскую сеть, от которой отражались бы радиосигналы.

С помощью двух 18,5-метровых антенн организаторы эксперимента провели тестовый сеанс связи между Калифорнией и Массачусетсом. В отчете о нем читаем: «Голос можно было расслышать». Однако иглы все сильнее расходились по орбите, отчего плотность этой искусственной ионосферы падала, отражающее облако меняло форму и объем, и скоро качество радиосвязи сделалось неприемлемым. И хотя использовать их как отражатель было невозможно, они продолжали засорять космос.

«Вестфордские иглы» остались головной болью борцов с космическим мусором (в день первого, неудачного, запуска иголок в 1961-м газета «Правда» вышла с гневным заголовком: «США засоряют космос»). И понятно почему: даже микроскопическая пылинка, врезавшись в иллюминатор шаттла, оставляет в нем убедительный кратер. К счастью, 480 миллионов иголок — много только по земным меркам. Большая их часть, несмотря на исходно высокую орбиту — 3600 кило метров, то есть в десять раз выше орбиты МКС, — уже успела сгореть в атмосфере. Сегодня плотность иголок, рассеянных по околоземному пространству, заведомо не превышает нескольких штук на кубический километр.

• Вспышка — обманка

Бангметр — наверное, самый специфический прибор для наблюдений за планетой и главный космический памятник холодной войне. Гигантский светочувствительный сенсор, смонтированный на нескольких американских спутниках, должен был фиксировать двойные вспышки в атмосфере, которые характерны только для ядерного взрыва: сначала на миллисекунду вспыхивает сама бомба, потом ионизированный быстрыми частицами газ.

22 сентября 1979 года, почти через 20 лет после запрета ядерных испытаний в воздухе, спутник Vela 6911 зафиксировал между побережьем Африки и Антарктидой двойную вспышку — ее характеристики соответствовали мощности взрыва в 2–3 килотонны. Срабатывание, получившее название «инцидент Vela», оказалось ложным, но оно чуть было не спровоцировало международный скандал. Как предполагают астрономы, систему ввела в заблуждение метеорная частица: небольшой космический камешек врезался в сам спутник (и породил первую вспышку), а его осколки, разлетаясь, отразили на сенсор солнечный свет.

Как бы то ни было, к показаниям бангметра военные стали относиться с недоверием, а сам он получил шуточное название bhangmeter (где английское bang, «взрыв», подменено индийским bhang, наркотик из конопли), под которым вполне официально упоминается на сайте ядерного ведомства США. Теперь такого рода спутниковые системы, дорогие и ненадежные, окончательно вытеснили сейсмометры, которые способны отличить ядерный взрыв от обычного и обладают очень высокой чувствительностью: фиксируют на другом конце планеты срабатывание заряда мощностью в килотонну.
Бозон в тумане

Статьи о Большом адронном коллайдере часто иллюстрируют полувековой давности снимками треков — траекторий элементарных частиц в пузырьковых камерах: белые лучи на черном фоне, «вилки» и спирали. Физики-ядерщики такие камеры еще недавно использовали очень широко.

Первой в 1911-м изобрели не пузырьковую, а туманную камеру, или камеру Вильсона. Идея в своей основе была на удивление простой. Саму частицу не сфотографируешь, но можно снять шлейф из капелек тумана, который она оставляет за собой в толще перенасыщенной смеси паров (обычно это смесь водяного пара с парами этанола). При температуре ниже точки росы пару достаточно сколь угодно слабого воздействия, чтобы начать конденсироваться. Частица, прилетевшая из космоса или ускорителя, на своем пути возбуждает отдельные молекулы пара, которые становятся центрами конденсации для сотен тысяч других молекул. К слову, примерно таков же механизм образования облака в атмосфере: в разреженном воздухе, где собрался перенасыщенный пар, пылинки диаметром в несколько микрон достаточно, чтобы вокруг нее выросла огромная (по меркам микромира) водяная капля.

Дональд Глейзер, будущий нобелевский лауреат, в 1952-м вывернул эту схему наизнанку: он взял не переохлажденный пар, а перегретую жидкость (жидкость становится перегретой, если резко уменьшить давление, тогда ее температура оказывается выше температуры кипения). Она на порядки плотнее газа, поэтому шансы столкнуться с веществом у частицы, влетевшей в такую камеру, резко возрастали. Она оставляет уже не шлейф из тумана, а дорожку из пузырьков. Пузырьковые камеры заправляли жидким водородом, который кипит при –252,78 °C. Поддерживать в камере такую температуру — сложная техническая задача.

След (или трек) может многое рассказать о частице. Длина трека дает представление о ее энергии. Каждое столкновение уменьшает эту энергию на небольшую порцию, пока наконец частица не потеряет способность ионизировать молекулы — в этом месте трек обрывается. Магнит, спрятанный под камерой, закручивает траектории заряженных частиц в спирали, по кривизне которых можно судить о соотношении массы и заряда. Нестабильные частицы распадаются, а родившиеся при этом новые разлетаются под строго определенными углами, образуя «вилки».

По таким следам в пузырьковой камере Gargamelle, установленной на ускорителе в CERN'е, «выследили» переносчиков слабых взаимодействий — знаменитые W- и Z-бозоны. Несколько Нобелевских премий и создание Стандартной модели напрямую связаны с этим открытием.

Физики-ядерщики по большей части уже отправили туманные и пузырьковые камеры в утиль: на современных экспериментальных установках частицы фиксируют уже с помощью не фотоаппаратов, а суперкомпьютеров, подключенных к полупроводниковым детекторам внушительных размеров. Но приборы вроде туманных камер, простые и эффективные, не умерли окончательно, а перекочевали в любительскую науку. Если современные детекторы частиц поражают размерами и ценой (например, ATLAS, детектор Большого адронного коллайдера, — конструкция высотой с девятиэтажный дом и весом 7000 тонн), то туманную камеру (точнее, ее аналог, работающий по сходному принципу) легко собрать своими руками. Спирт (как источник пара), сухой лед (чтобы этот пар охладить), пластиковый ящик, темная бумага — и можно наблюдать треки космических мюонов, не выходя из дому.

• Геодезический велосипед

Надо обладать незаурядной пытливостью, чтобы увидеть в таком нехитром устройстве, как велосипед, нечто, открывающее новые возможности. В 1912 году Вэннивар Буш, на тот момент студент Массачусетского технологического института, придумал, как превратить двухколесное устройство с цепью в революционный геодезический инструмент. Задача геодезии — строить трехмерные карты местности, для чего нужно знать высоту над уровнем моря каждой точки. Посчитать разность высот между двумя пунктами можно, например, следующим образом: разбить весь путь между ними на малые отрезки и, преодолевая очередной, записывать соответствующее приращение высоты (с обоими знаками) и суммировать его с предыдущими.

Буш решил автоматизировать процесс, для чего приделал к велосипеду ящик со сложным механизмом, который по углу наклона велосипеда к горизонту вычислял и суммировал такие приращения. На ленте самописца отображался высотный срез местности — по сути, зависимость высоты , на которой находится велосипед, от пройденного пути. Действующий образец Буш соорудил своими руками, патент ему выдали в декабре 1912-го, но в коммерческое производство устройство так и не запустили. Геодезисты не захотели отказываться от теодолитов, а теперь перешли на GPS-технологии: приемник по спутниковым сигналам определяет не только свое положение на карте, но и высоту над уровнем моря.

Изобретателем Буш был неутомимым — во время Второй мировой войны он адаптировал свой механический компьютер для армии и стал первым советником президента США по науке. А в историю он все же вошел как изобретатель устройства MEMEX, которое можно без большой натяжки назвать «механической гипертекстовой системой» (во всяком случае, им вдохновлялись разработчики сегодняшнего гипертекста). Описанный Бушем в одной из статей аппарат работал с фотокопиями статей так, как мы привыкли работать с вебстраницами: одни фотокопии могли содержать ссылки на другие, которые должны были выдаваться при нажатии на кнопку (читай — по «клику по ссылке»).

• Жидкие деньги

Даже из бюрократического клише экономист с воображением может извлечь продуктивную идею. Термин «денежные потоки» наводит на мысль, что деньги и жидкость в чем-то схожи — так отчего бы не смоделировать одно при помощи другого? В 1949 году такая мысль пришла в голову экономисту Биллу Филлипсу, который в итоге сконструировал гидравлический компьютер MONIAC. Уроженец Новой Зеландии, Филлипс к своим 35 годам успел поработать охотником на крокодилов в Австралии, пожить в Китае, бежать оттуда после японского вторжения через Россию в Англию.

Требуется доказать, что для любой простой компактной калибровочной группы G квантовая теория Янга — Миллса для пространства R^4 существует и имеет ненулевой дефект массы.

Уравнения Максвелла являются частным случаем теории Янга-Миллса.
Пролог из истории КХД
С изобретением пузырьковой камеры и искровой камеры в 1950-х годах, экспериментальная физика элементарных частиц обнаружила большое и постоянно растущее число частиц, названных адронами. Стало ясно, что все они не могут быть элементарными. Частицы были классифицированы по электрическому заряду и изоспину; затем (в 1953 году) Мюрреем Гелл-Манном и Кадзухико Нисидзимой — по странности. Для лучшего понимания общих закономерностей адроны были объединены в группы и по другим сходным свойствам: массам, времени жизни и прочим. В 1963 году Гелл-Манн и, независимо от него, Джордж Цвейг высказали предположение, что структура этих групп (фактически, SU(3)-мультиплетов) может быть объяснена существованием более элементарных структурных элементов внутри адронов. Эти частицы были названы кварками. Всё многообразие известных на тот момент адронов могло быть построено всего из трёх кварков: u, d и s. Впоследствии было открыто ещё три более массивных кварка. Каждый из этих кварков является носителем определённого квантового числа, названного его ароматом.

Однако, в подобном описании одна частица, Δ++(1232), оказалась наделена необъяснимыми свойствами; в кварковой модели она составлена из трех u-кварков со спинами, ориентированными в одном направлении, причем орбитальный момент их относительного движения равен нулю. Все три кварка в таком случае должны находиться в одном и том же квантовом состоянии, а так как кварк является фермионом, подобная комбинация запрещается принципом исключения Паули. В 1965 году Н. Н. Боголюбов, Б. В. Струминский и А. Н. Тавхелидзе[1], и также Хан Мо Ён (англ.) совместно с Йоитиро Намбу[2] и О. Гринберг (англ.)) независимо друг от друга решили эту проблему, предположив, что кварк обладает дополнительными степенями свободы калибровочной группы SU(3), позже названными «цветовыми зарядами». На необходимость приписать кваркам дополнительное число было указано Б. В. Струминским в препринте от 7 января 1965 года[3][4]. Результаты работы Н. Н. Боголюбова, Б. Струминского и А. Н. Тавхелидзе были представлены в мае 1965 года на международной конференции по теоретической физике в Триесте[5]. Йоитиро Намбу представил свои результаты осенью 1965 года на конференции в США[6][7]. Хан и Намбу отметили, что кварк взаимодействует через октет векторных калибровочных бозонов, названных глюонами (англ. glue «клей»).

Поскольку свободных кварков не было обнаружено, считалось, что кварки были просто удобными математическими конструкциями, а не реальными частицами. Эксперименты по глубоко неупругому рассеянию электронов на протонах и связанных нейтронах показали, что в области больших энергий рассеяние происходит на каких-то элементах внутренней структуры, имеющих значительно меньшие размеры, чем размер нуклона: Ричард Фейнман назвал эти элементы «партонами» (так как они являются частями адронов). Результаты были окончательно проверены в экспериментах в SLAC в 1969 году. Дальнейшие исследования показали, что партоны следует отождествить с кварками, а также с глюонами.

Хотя результаты изучения сильного взаимодействия остаются немногочисленными, открытие асимптотической свободы Дэвидом Гроссом, Дэвидом Полицером и Франком Вильчеком позволило сделать множество точных предсказаний в физике высоких энергий, используя методы теории возмущений. Свидетельство существования глюонов было обнаружено в трехструйных событиях в PETRA в 1979 году. Эти эксперименты становились все более точными, достигая высшей точки в проверке пертурбативной КХД на уровне нескольких процентов в LEP в CERN.

Другая сторона асимптотической свободы — конфайнмент. Так как сила взаимодействия между цветовыми зарядами не уменьшается с расстоянием, предполагается, что кварки и глюоны никогда не могут быть освобождены из адрона. Этот аспект теории подтвержден расчетами решёточной КХД, но математически не доказан. Поиск этого доказательства — одна из семи «задач тысячелетия», объявленных Математическим институтом Клэя. Другие перспективы непертурбативной КХД — исследование фаз кварковой материи, включая кварк-глюнную плазму.

Переносчики сильного взаимодействия в цветовом пространстве есть комбинации «цвет-антицвет», причём такие комбинации, которые не являются инвариантными относительно вращений в цветовом пространстве. Таких независимых комбинаций оказывается восемь (8), и выглядят они следующим образом:

к-аз, к-ас, з-ак, з-ас, с-ак, с-аз, (к-ак − з-аз)/ {\displaystyle {\sqrt {2}}} {\sqrt {2}}, (к-ак + з-аз − 2с-ас)/ {\displaystyle {\sqrt {6}}} {\sqrt {6}}