|
|
Субботний блик науки № 110
Модельные кварки
Многие явления природы описываются математическими моделями, с определённой (или не очень определённой) точностью. Возможно, даже всякое явление природы можно описать математической моделью с заданной наперёд точностью. А может — не всякое. Как бы там ни было, но самая точная и достоверная из наук о природе — физика — пользуется именно математическими моделями. Это очень хорошо: в рассуждениях о явлениях природы появляется непревзойдённая строгость; математический язык, универсальный внутри сообщества, позволяет с точностью доносить глубокие идеи до других исследователей.
Более того, верный подбор математических моделей к наблюдаемым результатам физических экспериментов и их, этих моделей, тщательное, чисто математическое, исследование часто приводят к открытиям в физике. Самый известный и математически «простой» пример — открытие нейтрино. Более масштабный случай — специальная теория относительности, выросшая из математического исследования уравнений электродинамики и в итоге давшая нам в руки компьютеры.
Другой пример — кварки, из которых построены элементарные частицы. Кварки возникли как наиболее простая, «комбинаторная», математическая модель, позволяющая в рамках физических представлений о свойствах элементарных частиц описать многообразие свойств этих частиц. В модели всего несколько типов кварков, каждый имеет определённые свойства — комбинации кварков позволяют строить протоны и мезоны. И другие частицы тоже. Изящно и удобно.
Мощь математических моделей, задающих тон в физике, привела к тому, что возникло новое понимание роли этих моделей в познании реальности. Например, вместе с философским постмодернизмом сложилось мнение, что физика никак особенно и не связана с установлением истины, методами «испытания природы», а напротив: физика лишь предлагает какие-то математические модели и их же изучает. А кроме этих моделей, мол, ничего и нет, как там в реальности дело обстоит — не ясно.
Вот, к примеру, возвращаясь к кваркам: а вдруг набор кварков — это лишь хорошо подобранный код, позволяющий описать все «квантовые» свойства известных элементарных частиц. А самих кварков в природе нет. Только модель в представлении физиков. Вот протоны есть, а кварков — нет, не существуют.
И вправду, изучить внутреннее устройство протона не просто. Микроскопом не разглядишь. Микроскопом можно разглядеть устройство крупной инфузории: внутри инфузории видны всяческие интересные детали, иногда разноцветные. Правда, разноцветность зависит от того, чем инфузорию покрасили, когда готовили для наблюдения. (Дело в том, что непокрашеный микропрепарат обычно не очень удобно разглядывать: по большей части, всё интересное оказывается прозрачным, совпадающим в своей прозрачности с окружающей средой.) Вот. Поэтому цвета уже искусственные.
Бывает, что напрашивающееся научное открытие в области микробиологии на поверку оказывается пыльцой, залетевшей в лабораторную посудину с цветка, растущего в горшке на окне соседней лаборатории. А микроскоп? Вдруг он построен неправильно и то, что он показывает взгляду исследователя, вовсе не является отражением действительности? А тут — протон. С кварками внутри. Кто их там увидит?
Тем не менее, физики занимаются установлением истины. Вполне систематически. Со световым микроскопом, например, давно удалось тщательно разобраться — для этого построили точную модель. Конечно, математическую. В основном это сделал ещё Леонард Эйлер. За прошедшее с тех пор время в действительности результатов, демонстрируемых удивлённому взгляду исследователя микроскопом, удалось тщательно убедиться экспериментальным путём. Точность предсказаний теории микроскопа проверили с помощью наблюдения оптической системой объектов с известной (по другим источникам) «геометрией».
В случае с протоном используются ускорители элементарных частиц, эти самые протоны сталкивающие. До поры до времени можно было рассуждать о том, что кварки — всего лишь интерпретация наблюдаемых с помощью ускорителей свойств элементарных частиц.
Приблизительно так же, до поры до времени, можно было говорить, что инфузория — всего лишь дефект оптической системы микроскопа. А на самом деле её не существует. Равно с того момента, как биологи научились разводить инфузорий и предсказывать появление дополнительных особей этих миниатюрных созданий в лабораторной пробирке, говорить про «дефекты оптической системы» уже нельзя, иначе придётся признать, что биологи научились разводить эти самые дефекты (а это будет посложнее, чем нарисовать Множество шариковой ручкой).
Постмодернизм отступает.
Ускорители стали мощнее. Эксперименты, которые на них ставят — сложнее. Физики научились разводить элементарные частицы: некоторые виды разводят на фабриках не хуже, чем биологи инфузорий (правда, энергии требуется больше). А математические модели, описывающие результаты работы ускорителей, уточнили и проверили на уже известных (по другим источникам) объектах. Впрочем, кварков пока не видно (если к этим частицам вообще применимо понятие «увидеть»). Остаются ли они лишь моделью, представлением? Уже нет.
На мой философский вопрос «Кварки существуют?», сперва приведший к обсуждению микроскопов и понятия «существует» в научных блогах на «Элементах», физик-теоретик Игорь Иванов ответил: «Несомненно существует, в любом смысле слова, нетривиальная структура протона. Опыты с рассеянием электронов на протоне показывают, что заряд в протоне не размазан по нему сплошняком, а концентрируется в очень компактных центрах, на несколько порядков более компактных, чем сам протон. То же самое касается энергии и импульса умеренно релятивистского протона: экспериментально известно, что энергия и импульс скучкованы (примерно) в трех объектах внутри протона. Эти три объекта можно назвать кварками, и тогда они несомненно существуют. На самом деле всё более тонко, но вывода это не меняет.»
Так что остаётся дождаться момента, когда те многие математические модели, стоящие за интерпретацией результатов экспериментов на современных ускорителях, благодаря достижениям в других областях физики и благодаря достижениям в самой математике, будут доведены до большей точности — и кварки станут реальностью. Не меньшей, чем инфузории.
02.06.2007
Теги: кварки
ускорители частиц
физика
|
Ваш отзыв автору
|
|
|
