Юрий Чирков - Охота за кварками

Юрий Георгиевич Чирков

Охота за кварками

Введение

Они пристально вглядываются в будущее и ждут появления новой теории элементарных частиц, как юная Ассоль ждала принца на корабле с алыми парусами.

В 1931 году чешский писатель Карел Чапек побывал в Голландии. В очерке «Знакомство с чужими странами» он писал: «В большинстве случаев нынешний путешественник проделывает в чужих странах, так сказать, обратный путь по истории. Начало его новым познаниям кладет центральный вокзал в столице; только после этого, постепенно, шаг за шагом он переходит к все более и более старинным предметам, как-то, скажем: кафедральные соборы, старинное искусство и амстердамское гетто, и только напоследок, в конце своих странствий, он открывает и голос самой страны, вроде мычания черно-белых коров или скрипа крыльев ветряных мельниц…»

Физиков, как, впрочем, и ученых других специальностей (наука едина: деление ее на отдельные дисциплины произвольно и временно!), тоже можно было бы уподобить путешественникам, отправившимся в некую условную страну. Как назвать ее? Страна Логики? Мекка Смысла? Царство Основных Законов?

И физики сначала различают в незнакомых краях лишь привычное, сходное с тем, что они оставили «дома»; и, как и обычные пилигримы, лишь постепенно начинают слышать «голос самой страны».

И все же аналогия эта не совсем точна! В книге речь пойдет о физике микромира, а значит, о мирах, масштабы которых — и временные и пространственные — становятся тем меньше, чем далее «путник» отходит от родных пенатов. Он простирает руки к «Африкам» и «Америкам», которых и в микроскоп-то не различишь — ко всем этим гиперонам, нейтрино, мезонам… Какое уж тут мычание черно-белых коров!

Гораздо лучше поиск физиков-ядерщиков сравнить с охотой. Но с охотой в особом, диковинном «лесу», заселенном невиданными чудищами и химерами, среди которых наиболее поразительны кварки.

Вот уже 20 лет как кварки продолжают интриговать ученых. Они многое объяснили и могли бы стать первоэлементами, из которых построен мир, если бы… если бы их удалось обнаружить! И охота за ними продолжается.

Как поймать африканского льва? Очень просто, шутят физики. Помещаем в заданною точку пустыни клетку, входим в нее и запираем изнутри. Затем производим инверсию пространства по отношению к клетке. Теперь лев внутри, а мы снаружи: лев пойман!

И шутки эти под стать их работе. Они тоже охотники, только необычные. Буквально стреляют из пушек по воробьям — многокилометровые ускорители построены для ловли крошек-невидимок. Часто не знают, на какого зверя отправляются охотиться. Порой не ведают, что делать с уловом, который, кстати, может исчезнуть у них на глазах…

О нетривиальности путей познания, которыми идут ученые, о фантастичности картины, открывающейся их глазам, о новейших научных приобретениях физики и будет рассказано в этой книге.

1. Элементарная неэлементарность

Мы пошли на площадь ученых. О, сколько там было ссор, разборов, схваток и погони друг за другом! Редко тут у кого-нибудь не было тяжбы с кем-нибудь иным; не только молодые (что можно было бы приписать незрелости), но и сами старики досаждали друг другу… Стоило кому-нибудь что-либо высказать, как другой тотчас шел на отпор, даже о снеге и то затевали спор: белый ли он, или черный, горячий ли, или холодный.

— Что ни сезон, то мезон, — любил подтрунивать над физиками-ядерщиками академик С. Вавилов. Дело было в конце 40-х годов.

А в 1971 году член-корреспондент АН СССР Д. Блохинцев в беседе с журналистами рассказывал: «Когда я начинал работать в Объединенном институте ядерных исследовании в 1956 году, вот эта полка, где стоят отчеты о международных встречах физиков-атомщиков, была почти пустой. Теперь, как видите, она буквально забита материалами о конференциях, симпозиумах, семинарах.

Открылась новая область исследований. Физики обнаружили целый мир элементарных частиц. Когда-то я сам для себя составлял таблицу таких частиц, и мне понадобился лишь один вечер. А сейчас это уже довольно сложная схема. Специальный международный центр выпускает сведения об элементарных частицах, и каждый год они составляют тетрадку объемом около 50 страниц. Но даже специалисты, работающие в этой области, не могут вполне точно ответить на вопрос: сколько же в данный момент известно элементарных частиц?..»

Да, 10–15 лет назад под лавиной открытий оказался погребенным один из основополагающих для микромира терминов. Каждый год все более увеличивал группу «элементарных частиц». Открытия все новых и новых членов этой чересчур многочисленной семейки становились почти будничным делом, волнующим разве что узкий круг специалистов. Все это в конце концов не могло не привести к девальвации эпитета «элементарный». Так, уже в который раз подверглась сомнению с таким трудом ставшая достоянием большой науки идея атомизма.

Демокрит

Если взять какое-нибудь достаточно массивное тело и начать его дробить, получатся части, обладающие теми же свойствами, что и исходное тело. Тривиальная вроде оы мысль!

Но возьмем мяч, утюг, сковородку и разрежем, разломим их хотя бы пополам. В руках у нас окажутся полумячи, полуутюги, полусковороды — вещи, явно лишенные своих изначальных качеств. Предметы настолько же аосурдные, как, скажем, полтора дровосека.

Еще один образ. В рое пчел мы издали не видим отдельных насекомых. Все пчелы сливаются для нас в одну сплошную пчелиную тучу. Но это не значит, что пчел нет. И ясно также, что, вознамерившись разъять отдельных пчел на составляющие, мы вновь получим те же полсковороды.

Мораль? Дробление роя, так же как и дрооление любого физического тела, имеет смысл проводить лишь до некоторого предела. Вот так, естественным образом, и возникает в сознании идея атомизма.

Наиболее отчетливо это учение сформулировал один из величайших философов древности, грек Демокрит (жил в 460–370 годах до новой эры).

Демокрит учил: все состоит из невидимых для нас крошечных частичек, настолько малых, что меньшего и представить невозможно. Эти частички Демокрит назвал атомами, что по-гречески значит «неделимые».

Атомы, вызывая в нас ощущение сладкого, горького, белого, черного, сами не могут быть подвержены какимлибо действиям извне. Они неразрушимы, неизменяемы, вечны и могут только комбинироваться в самых разных сочетаниях. Чем же отличаются различные атомы меж собой? тт Четкого ответа Демокрит, естественно, не мог дать. И тут он поневоле вступал на шаткий путь догадок и домысла.

Атомы воды, полагал Демокрит, круглы и гладки. Оттого-то вода текуча и не имеет определенной формы. Атомы огня колючи — потому и жжет огонь так больно.

Атомы земли грубы и зубчаты — в результате соединенные вместе, они и образуют тяжелую и стабильную субстанцию.

Демокрит допускал, что атомы имеют разные размеры. И есть среди них и более тяжелые, и более легкие.

Различаются они и формой. Должны существовать атомы крючкообразные, якоревидные, шероховатые, угловатые, изогнутые — иначе они не сцеплялись бы друг с другом.

Любопытно, что, хотя Демокрит считал атомы неделимыми физически, он допускал у них мысленное выделение частей. И в самом мелком атоме были и верх и аиз, и левое и правое, и переднее и заднее, и середина.

Демокрит был настолько атомистом, что даже душу человеческую представлял состоящей из атомов — огненных, тонких, круглых и гладких. После смерти человека они разбредаются по Вселенной в разные стороны. Таким образом, Демокрит в бессмертие не верил.

И боги, полагал этот философ, также являют собой лишь комбинации атомов!

Когда поминают славное имя Демокрита, само собой в сознании возникает слово «атом». Но то, что он гениально выделил еще одну важнейшую сущность бытия, остается как-то в тени. А ведь Демокрит ввел понятие «вакуума», или пустоты, которое так интересует и интригует самоновейшую физику.

Атомы Демокрита немыслимы без пустоты. Она является основным условием движения атомов. В ней совершают свои замысловатые «танцы» атомные «вихри»; соединяются, сближаясь, в тела и отталкиваются, приводя к распаду и разложению. Так что материя есть не только атомы, но и пустота. И второе обстоятельство не менее важно, чем первое.

Вот этой тонкой диалектики Демокриту уже при его жизни многие никак не могли простить. А главным оппонентом Демокрита стал не менее великий философ древности грек Аристотель (384–322 годы до новой эры).

Если Демокрит был убежден в дискретности материи, в возможности (хотя бы мысленной!) разъять ее на отдельные части, блоки, то Аристотель проповедовал обратное — абсолютную непрерывность, сплошность материи, отсутствие в ней каких-либо пропусков или пустот.