Почему методы поиска элементарных частиц не могут считаться объективными?

Идея о том, что всё состоит из частиц, воспринимается современной физикой очень даже хорошо. Регулярно «зоопарк частиц» пополняется и вот уже даже элементарные частицы (которые по идее и не подлежат разделению) оказываются состоящими из ещё меньших «кирпичиков». У тех, кто видит в новостях, что постоянно обнаруживаются всё новые и новые частицы появляется справедливый вопрос:

А почему вы решили, что эти частицы вообще есть? Можно ли их как-то увидеть?

И тут начинается самое интересное!

Сразу хотелось бы обозначить, что для существования той или ной частицы нам не обязательно её видеть. Не стоит тут переигрывать с эффектом наблюдателя, да и сводить всё к принципу, что «если я это не вижу, то этого нет» тоже не нужно.

Обычно скептикам я отвечаю, что мы не видим, например, ветер. Но можете ли вы сказать при этом, что ветра совсем не существует? Восприятие, увы, вещь сильно ограниченная и ориентироваться только на него (даже с учётом техники) совсем-таки не научно.

Однако, с учетом того, что научпоп издания часто манипулируют теми или иными результатом, а реальность преподносится не совсем-таки научно, в разумной части общества созрел, как это модно сейчас говорить, запрос на некоторую справедливость.

Давайте попробуем проанализировать как можно обнаружить или даже увидеть ту или иную частицу или хотя бы детектировать её. Ведь действительно, самая первая и даже правильная мысль человека — если я это не вижу, то этого нет. Такова наша природа и логика работы сознания, (если опустить научную составляющую). Вникать детально в каждую конкретную методику сейчас не будем. Посмотрим на базовый физический принцип групп методов.

С «увидеть частицу» нас ждёт особый сюрприз. Так уж получилось, что даже атом разглядеть своими глазами уже невозможно. Множество тех фотографий, которые путешествуют по разным источникам — это не сами атомы, а компьютерное моделирование предполагаемого образа атома. Это косвенный результат измерений, а не прямая съемка. Примерно как поиск воды на других планетах.

Как дела у оптики?

Главное ограничение для оптики в возможности наблюдения атома и всего, что может быть меньше атома — это сами законы физики.

Когда длина волны видимого света становится большей, чем размер самого объекта изучения, объект является невидимым для наблюдения. Этот принцип получил название дифракционного предела Аббе.

Это примерно как с прутьями решётки, которые с некоторого расстояния невозможно увидеть через объектив. Поэкспериментируйте на досуге.

Оптическая микроскопия с использованием даже самых «серьезных» микроскопов точно не подходит для наблюдения атомов (и всего того, что мельче них). В крайнем случае можно увидеть макромолекулы полимеров, да и то в редких случаях. Но есть целая группа самых разных микроскопов электронного типа.

На каждом из них останавливаться не будем, но попробуем уловить основную суть метода. Может быть с их помощью можно увидеть ту или иную частичку или хотя бы сам атом?

Пару слов про электронный микроскоп

По общему принципу работы электронный микроскоп напоминает оптический, но вместо света здесь работают электроны, фокусируемые магнитными линзами. Пучок электронов, проходя через тонкий образец, взаимодействует с ним тем или иным образом, а затем попадает на люминесцентный экран, делающий картину видимой для человеческого глаза.

Вы, скорее всего спросите, зачем заменять свет на поток электронов. Ведь базовые принципы примерно одинаковые. Но есть одно принципиальное различие. Электромагнитную волну можно взять с очень короткой длиной волны. Это позволит обмануть пресловутое ограничение оптического микроскопа.

Дальше уже идут разные варианты электронной микроскопии. Просвечивающая, рассеивающая, силовая, туннельная. Во всех этих случаях можно надеяться нащупать атом. И, внимание, ключевое слово! Именно нащупать. Не увидеть.

Слово «увидеть» применительно к работе электронного микроскопа подходит уже не очень хорошо. Всегда это будут те или иные рефлексы. Когда поток электронов встретит атом на своем пути он или отразится, или рассеется, или заблокируется. На экране наблюдения мы получим рефлексы. Если речь идёт про изучение структуры металла, то слово "увидеть" ещё подходит, но для узлов решётки нет.

Все эти примеры больше похожи на поиск выключателя в темной комнате, нежели на наблюдение за птицей в бинокль. Но это не означает, что все методики эти антинаучные!

Модель изображения частицы, которую мы восстановили по результату рассмотрения карты рефлексов микроскопа не является фейком или голым моделированием. Это всё-таки некоторая реальная схема. Поэтому, говорить, как это обычно бывает в комментариях, что «вот, частицу-то никто не видел!» как минимум безграмотно. Всё, что удалось воссоздать по результату анализа на электронном микроскопе вполне себе научно.

Другое дело, что не всегда ясно какой именно объект мы увидели (или лучше — обнаружили).

Если посмотреть на карту рефлексов от рассеяния на узлах кристаллической решетки, то мы можем лишь предположить, согласно нашей модели, что нащупали мы именно атом, который там находится. Там может оказаться и что-то иное. Также в темной комнате можно найти взведенную мышеловку, играя рукой по столу, а можно нажать клавишу включателя света.

Кстати про слово «нащупали» — есть зондовые электронные микроскопы, которые буквально-таки нащупывают объекты. Но единичный атом они практически никогда не нащупывают. Зонд перемещается по поверхности, а полученная топология фиксируется.

Но, увы и ах, электронный микроскоп в его классической интерпретации не сможет показать даже модель самого атома. Впрочем, если доработать методику, то можно увидеть более интересную картинку.

Тепловое движение

В интернете можно увидеть изображения атомов, которые считаются вполне себе достоверными и датируются «свежими числами». Всё это тоже результат работы того или иного алгоритма. Иногда этот алгоритм базируется на показаниях электронного микроскопа.

Например, есть методика, называемая электронная птихография. Она отталкивается от фиксации энергии, испускаемой при тепловом движении частиц, и фиксирует точки с наибольшей насыщенностью этой энергией. Так получены наиболее новые снимки атомной структуры. По факту это тоже косвенный метод измерения, но не самый точный. Много лишних шумов, поэтому финальная версия изображения ещё и сверяет свои «мысли» с математической моделью объекта.

Методика позволяет увидеть группы атомов и довольно точно смоделировать форму и вид атома.

Но а как же получаются картинки, где атом как будто бы планетарная система?

Наиболее простой способ — бомбардирование атома частичками и предсказание отклонения частиц того или иного типа по той или иной схеме. Это целая группа методов, которая объединена общей логикой. По сути дела ещё Резерфорд использовал такой физический подход при построении планетарной модели.

Что делать, если ожидаемая частичка меньше атома?

Гораздо интереснее дело обстоит с субатомными частицами. Само по себе их существование предсказывается сначала посредством математического моделирования или…чутья.

Ну а затем косвенными методами эта частица ищется. Вы не ослышались! Появление тех же мюонов — это результат обработки математической модели, в которой явно чего-то не хватало изначально. И только потом был построен детектор.

Аналогичная судьба была у нейтрино — их нашли значительно позже, чем было предположено их реальное существование в природе. Многие ученые-ядерщики буквально-таки говорили, что тут должно быть нечто такое, чего пока мы не видим и находим. Когда нейтрино нашли вся логика складно уложилась в одну общую модель.

И тут, объективности ради, стоит отметить, что буквально все методики поиска субатомных частиц косвенные. Причем, косвенные методики в случае электронной микроскопии куда себе боле объективные, чем в случае с поиском этих невероятных мелких частиц.

Стоит ли говорить, что электронный микроскоп тут уже не поможет.

Поэтому, используются другие, совсем-таки косвенные, варианты. Их довольно много, поэтому перечислим те, которые используются наиболее часто. А точнее, опишем принцип работы группы методов и выявим их условность. Итак.

Частица разыскивается по её ожидаемому воздействию на тот или иной «физический индикатор».

Как правило это два основных действия — свечение и ионизация.

Ионизация рассматривается в камере Вильсона и в пузырьковой камере, а свечение — это счётчик Гейгера или фотоэмульсии. Только этими методами границы использования этих физических принципов не ограничиваются.

Метод ионизации

Сама по себе методика довольно забавная. Она применяется как в камере Вильсона, так и в пузырьковой камере. Различие в них только в среде, которая ионизируется.

Если через некоторую среду проходит заряженная частица, то она ионизирует пространство вокруг своего трека. Значит, трек можно «подсветить». Он покрывается или обрастает пузырьками газа/воды. В случае пузырьковой камеры — там не ионизация, а кипение на треке и появление пузырьков.

Форму траектории фиксируют и сравнивают с ожидаемой по мат.модели.

Если частица отклонилась в таком-то поле на столько-то, то можно предположить, что она детектирована.

Траектория высчитывается, исходя из ожидаемой массы частицы и её энергии. Остаётся сравнивать.

Что же…Всё хорошо и методика очень активно применяется. Но главный вопрос!

А что, если трек оставляет ни эта частица? Когда анализируешь эту логику, то не покидает ощущение, что сову натянули на глобус. Однако, в целом метод вполне себе научный.

Остаётся добавить, что с помощью этой камеры обнаружили практически все субатомные частицы — электроны, позитроны и прочие представители фауны. "Засветятся" все, кто влияет на среду прохождения.

Разные виды свечений

Эта группа методик используется как для поиска самых простых «привычных» частичек, так и для обнаружения невероятных нейтрино и мюонов.

Когда частичка будет проходить через некоторое поле или объект, то будет появляться квант света. Примерно так работает сложный современный детектор нейтрино.

Он представляет из себя огромную конструкцию, которая закопана под Землю, а внутри расположен бассейн с водой. Под водой и на стенах есть детекторы.

Под Землю всё это спрятано для того, чтобы исключить попадание в детектор других космических лучей. Ведь только нейтрино способны проходить практически через все объекты и только они могу оказаться под Землей на такой глубине.

Дальше, когда они оказываются в воде, себя проявляет сонолюминисценция — эффект свечения, происходящего в результате взаимодействия нейтрино со средой. Эти вспышки фиксируются сверхточной аппаратурой. Их существование говорит о том, что там были нейтрино.

И вот опять, казалось бы, что косвенный метод показывает существование там частички.

Но уверены ли мы, что фиксируется именно та частица, которая ожидалась? Увы, нет.

Всё это только гипотеза и прогноз, и проверка этого прогноза посредственным методом. К сожалению, тут можно согласиться и со скептиками. Хотя, на мой взгляд методика остаётся близкой к научным способам поиска.

Рассеяния того или иного

Если предыдущая группа методик была ещё более или менее косвенно-механической и казалась точной, то есть ещё более странная группа методов.

Все методы этого типа ориентируются на фиксацию результата взаимодействия нескольких объектов элементарного типа. При этом результат, как правило, фиксируется методиками, которые были описаны раньше.

Логика, которая тут применяется, простая. Например, объект бомбардируется теми или иными частицам и мы ожидаем, что получатся позитрон и электрон.

Мы проводим это действие, а позитрон и электрон потом ищем способами, описанными выше. Неточностей тут может быть гораздо больше. Да и вообще всё очень эфемерное.

Используется не только логика гипотез, но ещё и методы дальнейшей фиксации процесса выбраны посредственные.

Если опустить все математические выкладки, то мы ищем непонятно что непонятно каким образом. Однако, при некоторой доле приближения группу методов можно считать даже научными.

Подобным способом искали кварки. Сразу скажу, что официально экспериментальное подтверждение существования кварков не признано. Но отталкиваются от очень сильно косвенных методик.

Одним из решающих экспериментов, подтверждающих кварковую модель, является аннигиляция электронов и позитронов (e⁺+ e⁻) при высоких энергиях. В результате аннигиляции могут образоваться пары мюон-антимюон (μ⁺μ⁻) или кварк-антикварковые пары, которые, в свою очередь, порождают адроны. Адронные события и являются свидетельством рождения кварков. Эти события можно зафиксировать любым методом, начиная от появления полей и кончая фиксацией трека в пузырьковой камере.

Вместо итога

Несмотря на то, что все методики, которые перечислены после «электронного микроскопа» являются сильно «притянутыми за уши», я бы не сказал, что они абсолютно безнадежны и ненаучны. Скорее правильно тут говорить о точности.

Понятно, что нельзя считать высокоточной методику, которая базируется на поиске косвенным методом того, что мы ожидали увидеть. Но и абсолютно безнадежной с научной точки зрения её считать нельзя.

По всей видимости сейчас мы находимся где-то на пороге осознания. Повторяется картина, которую мы наблюдали при становлении теории строения атома. Сначала это была булка с изюмом Томпсона, а потом получился шарик с вероятностным расположением электронов вокруг единого центра. Вместе с развитием науки развивались и методики исследования.

И вот сегодня мы уже можем утверждать, что модель атома Шрёдингера правильная. Также будет и с элементарными частицами.

Поэтому, проводимые сегодня экспериментальные исследования имеют значительную научную ценность.

Это как обрывки карты с расположением сокровищ, которую мы ещё и рисуем на ходу. Там на пути мы встретили овраг, а там есть мостик. Один путь был неправильный, а второй вёл в нужную сторону. Всё это станет полезным в итоге. Поэтому, лютые хейтеры неправы.

Другое дело, что подобное подвешенное состояние активно используют «грантоешки» и качают якобы научное знание во все стороны. И тут важна некоторая научная доблесть и объективность.