Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.981 RSS
←   Январь 2007   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
10.01.2007
04:33:36
12:58:54
11
12
12.01.2007
03:54:29
17:19:47
13
14
15
16
17
17.01.2007
03:24:02
16:29:56
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
31.01.2007
08:24:59
14:13:22


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.981 подписчиков
+9 за неделю
←   Все выпуски   →

Наступает новая эра в теоретической ядерной физике


«Хронология далекого прошлого»

Хронология далекого прошлого

18 тысяч лет назад...
330 миллионов лет назад...
Откуда берутся эти цифры? Насколько им можно доверять?

Статья доктора биологических наук Александра Маркова открывает на «Элементах» раздел Методология науки

Наступает новая эра в теоретической ядерной физике

16.01.2007

Рис. 1. Зависимость потенциала нуклон-нуклонного взаимодействия от расстояния между нуклонами. Разными цветами показаны результаты вычислений для разных спинов двух нуклонов (изображение! из обсуждаемой статьи nucl-th/0611096)
Рис. 1. Зависимость потенциала нуклон-нуклонного взаимодействия от расстояния между нуклонами. Разными цветами показаны результаты вычислений для разных спинов двух нуклонов (изображение из обсуждаемой статьи nucl-th/0611096)
Физикам впервые удалось вывести нуклон-нуклонное взаимодействие «из первых принципов» — то есть (в данном случае) исходя из теории квантовой хромодинамики. Свыше полувека свойства ядерных сил были известны только экспериментально. Теперь же на смену эмпирическим законам ядерной физики приходят точные — правда, пока только численные — расчеты.

Когда выяснилось, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (называемых вместе нуклонами), сразу же возник вопрос: какие силы удерживают нуклоны вместе? Для объяснения этого явления Хидеки Юкава в 1935 году предложил модель ядерных сил (она вскоре была подтверждена экспериментально), в которой притяжение нуклонов обеспечивается постоянным обменом новыми (на то время) частицами — пи-мезонами. Тот факт, что нуклоны в ядре не сливаются друг с другом, а держатся на расстоянии, означает, что при их чрезмерном сближении притяжение сменяется на сильное отталкивание. На своем жаргоне физики говорят, что в нуклоне есть некая «твердая сердцевина».

Рис. 2. Схематическое изображение того, как ядерные силы объясняются в КХД (изображение с сайта www.tfn.net)
Рис. 2. Схематическое изображение того, как ядерные силы объясняются в КХД (изображение с сайта www.tfn.net)

За более чем полвека, прошедшие с тех пор, теория сильного взаимодействия кардинально изменилась. Выяснилось, что нуклоны — вовсе не фундаментальные частицы, а состоят из более «мелких кирпичиков», кварков. Кварки внутри нуклонов (а также всех других сильно взаимодействующих частиц — адронов) связаны глюонами, переносчиками сильного взаимодействия. Силы, удерживающие нуклоны в ядрах, — это «вторичные» явления, суммарный результат коллективных процессов кварков и глюонов (см. рис. 2). В современной теории сильного взаимодействия — квантовой хромодинамике (КХД) — всё сводится к взаимодействию кварков и глюонов, которые считаются неделимыми частицами, и эта теория пока что очень хорошо описывает всю совокупность экспериментальных данных по столкновени! ям адронов при высоких энергиях.

В этой картине имеется, однако, одна трудность — в рамках КХД просто не получается вычислить силу притяжения нуклонов и объяснить, откуда в нуклоне берется «твердая сердцевина». В результате возникла странная ситуация: несмотря на многочисленные успехи КХД, ядерная физика по-прежнему базировалась на эмпирических (описательных) моделях полувековой давности с небольшими современными уточнениями. Связующего звена — то есть точного вычисления ядерных сил из КХД — так и не было.

С точки зрения настоящей теории с формулами и уравнениями (о фундаментальных и эмпирических теориях читайте в блоге автора заметки), эта задача чрезвычайно сложная. Исходные уравнения КХД записаны, однако решать их в области низких энергий физики не умеют и вряд ли в ближайшее время научатся.

Поясним на примере. В случае движения планет вокруг Солнца исходное уравнение — это второй закон Ньютона (ускорение есть сила делить на массу), в который в качестве силы надо подставить его же, Ньютона, закон всемирного тяготения. Решением уравнения будет закон движение планеты по орбите.
В случае же КХД исходное уравнение — это закон, связывающий скорость «рождения», «перетекания» и «исчезновения» кварковых и глюонных полей в зависимости от текущего их распределения в пространстве. По сути, это одна формула. Его решением будут, соответственно, эти самые скорости «рождения», «перетекания» и «исчезновения». Особенный класс решений, в котором все такие перетекания замирают, отвечает стабильным частицам: протонам, нейтронам и т. д. Другой класс решений — это около-стабильные решения, в которых «перетекание» есть, но определенного толку. Например, перетекание полей туда и обратно между двумя нуклонами — это и есть ядерные силы.

Здесь на помощь приходят численные методы решения этих уравнений, которые в теории сильного взаимодействия называются «КХД на решетках». Суть этого подхода заключается в следующем. Как и в любой квантовой задаче, кварки и глюоны являются не точечными частицами, а полями, как-то распределенными в пространстве. В кусочке пространства и времени, в котором предполагается изучить движение кварковых и глюонных полей и вычислить свойства нуклонов, строится четырехмерная кубическая решетка. В типичных расчетах используются решетки размером 324 узлов. Для того чтобы численно вычислить физические величины, приходится независимо интегрировать по характеристикам полей в каждом узле решетки — то есть выполнять многомиллионнократные интегралы. С одной стороны, это чрезвычайно ресурсоемкая задача даже для современных компьютеров, но с другой стороны — это единственный надежн! ый способ выяснить, что предсказывает КХД там, где теоретики ничего пока сосчитать не могут.

Важно, что прогресс в этой области связан только с ростом компьютерных мощностей — никаких препятствий внутри теории для всё более точных расчетов нет. Если в конце 1980-х годов физикам удавалось получать на решетках лишь нечто похожее на адроны, то в 90-е годы уже стали появляться всё более точные вычисления масс адронов, а в последние годы предпринимаются попытки вычислить уже и динамические свойства адронов.

Чрезвычайно важной вехой в этом направлении исследований стала недавняя работа японских физиков N. Ishii, S. Aoki, T. Hatsuda, nucl-th/0611096 с говорящим за себя заголовком «Ядерные силы из КХД на решетке». Популярная заметка Particle physics: Hard-core revelations нобелевского лауреата Франка Вильчека (Frank Wilczek), посвященная этим исследованиям, появилась на днях в журнале Nature.

В этой работе решались уравнения КХД для группы из шести близко расположенных кварков. «Включив» глюонное поле, авторы проследили решение до тех пор, пока шесть кварков не организовались в двухнуклонное состояние. Изучив получившееся распределение двух нуклонов относительно друг друга, авторы и вычислили потенциал межнуклонного взаимодействия в зависимости от расстояния. Важно, что использованная в работе решетка была достаточно большая (около 4 фм; 1 фемтометр = 10–15 м), чтобы вместить в себя два нуклона.

Триумфом этой работы стала четкая демонстрация того, что все особенности межнуклонного взаимодействия, известные из опыта, воспроизводятся в этих расчетах (см. рис. 1). В частности, впервые в истории изучения ядерных сил существование «твердой сердцевины» в нуклоне было выведено из КХД.

Главное утверждение этой работы — ядерные силы наконец-то выводятся из КХД — открывает новую главу в теоретической ядерной физике. Сейчас физикам предстоит перепроверить все те свойства ядер, которые уже получены эмпирическим путем, а также попытаться обнаружить явления, еще не известные ядерной физике. Не исключено, что по следам этих численных расчетов теоретики предложат новую, более прозрачную и более физически мотивированную теорию ядерных явлений, переписывая при этом учебники ядерной физики.

Дальнейшие успехи в этой области скажут свое веское слово и в астрофизике. Точная и модельно-независимая теория ядерных сил позволит четко вычислить максимальный размер нейтронных звезд и понять механизм взрыва некоторых сверхновых.

Наконец, как подчеркивает Вильчек, эти вычисления дают физикам редчайшую возможность промоделировать ситуации, невозможные в нашей Вселенной. Например, можно изучить, как будут меняться свойства ядерных сил, а значит, и синтез элементов в Ранней Вселенной, при вариации массы кварков и силы их связи. Из этого, в свою очередь, можно узнать, насколько «случайно» было то, что законы физики позволили из «первичного бульона» Ранней Вселенной развиться таким сложным структурам, как галактики, планеты, жизнь. Это станет очень интересным аргументом в споре сторонников и противников антропного принципа.

См. также:
Эмпирические и фундаментальные теории.

Игорь Иванов

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

15.01 Древнейшие докембрийские эмбрионы оказались бактериями?

Считается, что микрошарики и кластеры шариков, широко представленные среди древнейших окаменелостей Доушаньтуо, — это яйца и ранние эмбрионы многоклеточных животных. Ведутся горячие споры: какому типу животных они могли принадлежать? И вот американские ученые предложили новую интерпретацию: возможно, это никакие не эмбрионы, а остатки гигантских серобактерий.

12.01 300 миллионов лет назад углекислого газа в атмосфере было гораздо больше, чем сейчас

Конец палеозойской эры (300-270 миллионов лет назад) отмечен переходом от долго длившегося и охватившего большую часть Земли оледенения к глобальному потеплению. За это время содержание СО2 в атмосфере, вначале примерно равное современному, возросло в 10 раз — причем безо всякого участия человека.

12.01 При недостатке растворенной органики морские бактерии подкармливаются солнечным светом

Способность к росту за счет энергии солнечного света (фототрофность) распространена в живой природе гораздо шире, чем считалось. Кроме зеленых растений и цианобактерий, а также известных ранее фототрофных бактерий питаться солнечным светом могут и многие другие микробы, обладающие особыми светочувствительными белками — протеородопсинами.

11.01 Перелетные птицы не так уж и боятся потепления

Немецкие биологи, сведя воедино данные о разнообразии птиц по всей Европе за прошедшие четверть века, обнаружили, что потепление не уменьшает видового богатства перелетных птиц. Эти выводы противоречат экспертным оценкам и прогнозам ООН, обнародованным несколькими месяцами раньше.

10.01 У микроба ферроплазмы почти все белки содержат железо

Железо входит в состав 86% белков микроба Ferroplasma acidiphilum, обитателя пиритовых месторождений. Удаление атомов железа из белковых молекул приводит к нарушению их структуры и потере функциональности. Возможно, у древнейших живых организмов все белки изначально держались на «железных заклепках», как у ферроплазмы.

09.01 Уточнено значение массы W-бозона

Эксперимент CDF на коллайдере Тэватрон сообщил о рекордном по точности измерении массы W-бозона — одного из ключевых ингредиентов теории электрослабого взаимодействия. Физики сейчас анализируют возможные последствия этого результата.

08.01 Открытие Менделя получило объяснение спустя 140 лет

Через 140 лет после опубликования классической работы Грегора Менделя, заложившей основы генетики, ученые выяснили, какой именно ген определяет желтую или зеленую окраску семян у гороха. Оказалось, что зеленый цвет обусловлен мутацией в гене sgr, кодирующем белок, участвующий в разрушении хлорофилла при созревании семян или старении листьев.

08.01 Достигнут крупный успех в понимании того, как начинается турбулентность

Численное моделирование впервые с хорошей точностью воспроизвело все детали перехода к турбулентности. Благодаря этому успеху получает поддержку новый взгляд на турбулентность.

08.01 Представлены доказательства существования озер на Титане

Интернациональный коллектив планетологов, возможно, поставил точку в затянувшемся споре о существовании обширных озер на Титане — самом большом из 56 известных на сегодняшний день спутников Сатурна. Свидетельства в пользу того, что озера все-таки существуют, содержатся в письме 38 исследователей из США, Италии и Франции, которое 4 января появилось в журнале Nature.
В избранное