Текст книги "Бег за бесконечностью (с илл.)"

Автор книги: Александр Потупа

сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 15 страниц)

Дарвиновские идеи были встречены не только злобными нападками церковников, но и резкой критикой ряда ученых. Ведь развитие было не так-то просто совместить с представлением о неизменной, раз и навсегда заведенной машине. Представьте себе ситуацию, когда сотни и сотни врачей и физиологов познали внутреннее устройство человеческого тела и пришли к выводу, что это какая-то не слишком мудрёная комбинация из трубок с жидкостью (кровеносной и лимфатической систем) и мышц, способных к механическому действию. Конечно, большинство из них четко видели, что «помысел господень» тут ни при чем, но законы эволюции были слишком трудны для такого уровня.

Потребовались величайшие усилия – открытие законов наследственности, появление генетики, прорыв к молекулярной структуре клетки, чтобы осознать, что, если аналогия с машиной и имеет какой-либо смысл, то речь должна идти о фантастически сложной, саморазвивающейся машине. Чтобы увидеть первые образцы, точнее далекие прообразы технических устройств высокой степени сложности, пришлось ждать до совсем недавних времен, когда родилась кибернетика и общая теория автоматов.

Сейчас мы понимаем, что гигантские электронные машины в принципе можно запрограммировать на саморазвитие. Достаточно сложная кибернетическая машина способна проектировать и с помощью автоматических устройств воспроизводить себе подобных. При дальнейшем усовершенствовании она сможет улучшить программы своих творений, то есть изготовлять нечто более сложное, чем она сама. Так постепенно сформировался технический эквивалент эволюционизирующих биологических систем, но не следует, конечно, забывать, что пока это лишь эквивалент на уровне идей – реальные возможности действующих «электронных мозгов» еще весьма ограничены, пока просто не соизмеримы с тем, чего добилась природа за миллионы и миллионы лет биологической эволюции.

Собственно, в физику идеи о развивающихся объектах проникли сравнительно недавно, хотя и чрезвычайно впечатляющим путем. В 1922 году замечательный советский математик А. Фридман на основе эйнштейновской теории тяготения показал, что вселенная могла развиваться из некоторого весьма экзотического состояния, существовавшего порядка 10 миллиардов лет назад. Согласно его идеям весь гигантский звездный мир, наблюдаемый невооруженным глазом и самыми мощными телескопами вплоть до фантастических расстояний 10²⁸ сантиметров, прошел множество стадий, причем в очень ранние моменты плотность энергии была чрезвычайно высока. Тогда вселенная ни в малейшей степени не напоминала ту картину, которую мы видим сейчас. Представьте себе, что все галактики спрессованы в комок вещества со средней плотностью, как у атомного ядра. А в еще более ранние моменты плотность намного превышала ядерную, адроны были буквально вжаты друг в друга. Что это было: своеобразное партонное вещество или нечто до сих пор невообразимое?..

Так или иначе, но, судя по хорошо оправдавшей себя фридмановской модели, вселенная проходила через такие состояния, когда не могло существовать обычных элементарных частиц, во всяком случае, они были погружены в среду такой плотности, которая исключала сколь-нибудь макроскопический свободный пробег. Что же предопределило появление наблюдаемого адронного многообразия и где была записана программа формирования сложных микрообъектов?

Так смыкаются, казалось бы, предельно далекие друг от друга проблемы самого большого и самого малого, возникают внешне фантастические взаимосвязи между историей и структурой вселенной в целом и законами поведения частиц при высоких энергиях.

Вот, скажем, такая любопытная история. Предположим, что нам удалось устроить мишень из макроскопического кусочка вещества ядерной плотности и сфокусировать на ней вполне реалистический по современным понятиям протонный пучок из 10¹³ частиц с энергией 1000 ГэВ. При этом в мишени выделилась бы довольно приличная энергия, примерно 10¹³ эрг, то есть того же порядка, что и при взрыве килограмма тринитротолуола. Это, конечно, настоящий взрыв, но ведь для действия взрыва основную роль играет не столько энергия, сколько его мощность, то есть энерговыделение в единицу времени. Теперь-то мы и придем к фантастическим числам – ведь адроны теряют энергию в ядерном веществе чрезвычайно быстро, примерно за 10^-23 секунды. Поэтому мощность полученного взрыва окажется эквивалентной той, которая наблюдалась бы при одновременном взрыве приблизительно 100 миллионов мегатонных водородных бомб, то есть около 10³⁶ эрг в секунду! Повышая число частиц в импульсе всего в десять раз, а энергию ускорителя – в тысячу раз (а это, как говорится, не за горами!), мы столкнемся примерно с такими же мощными взрывами, какие происходят при вспышках Сверхновых звезд (10³⁹–10⁴¹ эрг в секунду). Не хватает совсем немногого: получить в лабораторных условиях комочек ядерного вещества макроскопических размеров, хотя бы порядка пространственного разброса сфокусированного протонного пучка…

Впрочем, с впечатляющими цифрами можно встретиться и при рассмотрении элементарных актов, например, для процесса столкновения тяжелых атомных ядер типа урана с огромными, пока еще не достижимыми энергиями.

Два разных, на первый взгляд бесконечно далеких мира: адроны и звезды… Одно из самых последних завоеваний человеческого разума и одно из первых наблюдений, заставивших согласно красивой легенде впервые распрямиться наших еще не шибко образованных, но уже довольно любопытных пращуров. Но наш смелый век стал стремительно наводить мосты между этими мирами.

Уже в 1932 году Л. Ландау высказал гипотезу о существовании гигантских атомных ядер – нейтронных звезд. Под действием мощных гравитационных сил особо массивные звезды должны сжиматься, и давление в звездных недрах начинает буквально сминать атомы, вдавливая электроны в ядра. Когда большинство электронов провзаимодействует с ядерными протонами, последние превратятся в нейтроны за счет реакции обратного бета-распада с испусканием интенсивного нейтринного излучения. В результате постепенно сформируется своеобразное макроскопическое атомное ядро – нейтронная звезда.

Долгое время идею Л. Ландау рассматривали как красивую гипотезу, но вот в 1967 году были обнаружены знаменитые пульсары, космические объекты небольшого размера с регулярным и интенсивным излучением. Вскоре теоретики поняли, что единственный способ учесть малый период пульсаций излучения для объектов с характерными звездными массами – предположить, что это и есть невероятно концентрированные нейтронные звезды…

Связи, связи, связи… Наверное, самое главное дело науки – поиск и объяснение связей между близкими и далекими явлениями. Адроны и гравитация – силы, отстоящие друг от друга примерно на 40 порядков десятичной шкалы (сорок!!!) – демонстрируют необходимость в какой-то единой точке зрения. Вы только что видели, что современная теория тяготения в таких принципиально важных пунктах, как строение сверхплотных звезд и ранние этапы развития вселенной, требует привлечения конкретных представлений физики сильных взаимодействий.

Еще более наглядные мосты перебрасываются сейчас между сильными и электромагнитными взаимодействиями. При учете интенсивного рождения адронов обычная электродинамика становится существенно незамкнутой в области высоких энергий – ее следует дополнять законами сильных взаимодействий.

Нечто похожее происходит и с теорией слабых взаимодействий. Во-первых, она устроена гораздо менее надежно, чем электродинамика. И во-вторых, рождение адронов в экспериментах по рассеянию нейтрино (это единственная частица, обладающая только слабым взаимодействием!) показывает все ту же незамкнутость. Похоже, что адроны решили не только продемонстрировать физикам новые варианты устройства собственного мира, но и стали решительно вмешиваться во «внутренние дела» других фундаментальных взаимодействий.

Академик М. Марков в своем выступлении на одном из международных семинаров по физике высоких энергий провел такую любопытную аналогию. А что, если наше представление о четырех силах (сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных), которые пока рассматриваются как одинаково фундаментальные, – нечто похожее на древнее членение мира на четыре основные «стихии»: землю, воду, воздух и огонь? Не лежит ли в основе правильных представлений единое рассмотрение всех известных сил?

Построение единой теории, вероятно, и представляет самую большую мечту физиков. Осуществится ли эта мечта – покажет будущее. До сих пор науке известны два великолепных примера построения единых теорий и, конечно же, множество других, менее удачных попыток. Эти примеры таковы.

Г. Галилей и И. Ньютон впервые проложили путь к единой трактовке земных и небесных явлений. То, что мушкетные пули падают с башни благодаря тем же силам, которые связывают Землю и другие планеты с Солнцем, было потрясающим открытием, которое позволило создать первую научную картину мира.

Второй пример относится к работам М. Фарадея и Дж. Максвелла, построивших единую теорию электрических и магнитных явлений, которые примерно до середины прошлого века рассматривались как различные эффекты.

После этого успеха предпринимались многочисленные попытки объединить «попарно» те или иные типы взаимодействий. Большую часть своей жизни потратил А. Эйнштейн на единую формулировку теории электромагнитных и гравитационных явлений. Большой путь по объединению теории сильных и слабых процессов проделал В. Гейзенберг.

Эти исследования принесли много интересного, но не достигли цели. Мы не станем проводить подробный анализ случившегося – это, пожалуй, отдельная и весьма глубокая тема. Однако можно обратить внимание на одно наглядное обстоятельство: все удачные попытки классиков прошлого отличает важнейшая особенность – они основаны не на общих соображениях о единстве природы, а на анализе и обобщении экспериментальных закономерностей. Поэтому именно огромные успехи адронной физики, опытное доказательство вмешательства адронных процессов в поведение частиц, которые не должны непосредственно участвовать в сильных взаимодействиях, длительное время давали основание для серьезного оптимизма.

Если бы адроны всегда выглядели как сильно взаимодействующие рыхлые объекты конечного размера, то можно было бы надеяться, что именно они определят характер сил между любыми частицами на сколь угодно малых расстояниях. В этом случае основные трудности моделей слабых и электромагнитных взаимодействий были бы, по-видимому, устранены.

Но, как вы помните, оказалось, что и сами адроны включают в себя бесструктурные составляющие – кварки-партоны, то есть на очень малых расстояниях ведут себя подобно тем же лептонам. Взаимодействие кварков-партонов с уменьшением расстояний ослабевает – таковы свойства глюонов, переносчиков взаимодействия между кварками.

Ослабление сильных взаимодействий на малых расстояниях и появление точечных составляющих адронов приводят к множеству интересных следствий. Наиболее важное из них то, что теперь уже слабые и электромагнитные взаимодействия становятся на малых расстояниях очень велики – нет силы, которая устранила бы уже известные трудности традиционных моделей.

Однако физики нашли выход и в этой сложной ситуации. Еще в 1967 году американский теоретик С. Вайнберг заметил, что электродинамика и теория слабых взаимодействий, рассмотренные по отдельности, могут сталкиваться с совершенно непреодолимыми трудностями, но, объединяя эти модели, можно добиться удивительных успехов. Оказывается, свойства слабых и электромагнитных сил как бы взаимно устраняют трудности теории при переходе к очень малым расстояниям. В концепции С. Вайнберга силы, которые обычно связывают с особыми слабыми взаимодействиями, являются, по сути дела, одним из проявлений электромагнетизма. Это проявление не могло быть замечено классической физикой, поскольку речь идет о чрезвычайно малых расстояниях, порядка 10^-17 сантиметра!

Наряду с фотоном взаимодействие теперь должны осуществлять уже знакомые нам заряженные дубль-вэ и нейтральные зэт-мезоны. Но если фотон способен действовать на сколь угодно больших расстояниях, то эти мезоны действуют только на малых участках пространства. Очень важно, что все эти частицы оказываются проявлением некоторого калибровочного поля, и обусловленные ими силы вполне удовлетворительно ведут себя на очень малых расстояниях.

Таким образом, основные надежды современной теории связаны именно с программой объединения электромагнитных и слабых взаимодействий с последующим включением в эту схему кварков и глюонов. В принципе эта программа позволяет построить непротиворечивую картину с оригинальным, но вполне удовлетворительным поведением сил на малых расстояниях.

Данная точка зрения кажется привлекательной, хотя бы потому, что в ней все действительно элементарные частицы выступают, в определенном смысле, на равной основе. Наблюдаемые адроны также равноправны между собой, но ни в коем случае не являются элементарными объектами и им не следует сопоставлять особые поля.

Как видите, в этой концепции отразились все лучшие достижения более ранних и, конечно, менее совершенных моделей. Даже острая критика теории поля, которую провели сторонники «ядерной демократии», не прошла даром!

Главное впереди

Если окинуть теперь общим взглядом развитие физики элементарных частиц, то можно, следуя методу историков или геологов, условно выделить четыре эры, или эпохи.

Физика подошла к открытию элементарных частиц с вполне выраженной атомистической концепцией. «Атомная эра» с принципиальной точки зрения окончилась с открытием электрона, различных атомных и ядерных излучений и самих атомных ядер. Эти открытия однозначно свидетельствовали о том, что атомы представляют собой сложные системы, а роли элементарных объектов перешли к электрону, фотону и протону.

В этот же период наступает новая «электронно-радиационная эра». Наиболее фундаментальной проблемой становится расшифровка природы электронов, естественной радиоактивности, атомных ядер.

Разумеется, не может идти речь о каких-то абсолютных границах. Между различными эрами существуют изрядные пересечения, когда одна лишь формируется, а другая еще не завершилась полностью. В принципе уже в самом начале века физики знали, что атомы состоят из электронов и каких-то положительно заряженных объектов, но для построения удовлетворительной модели атома пришлось проделать четвертьвековую экспериментальную и теоретическую работу, наконец, создать квантовую механику!

Основные принципы «электронно-радиационной эры» были созданы в конце 20-х – начале 30-х годов, когда квантовая механика была увязана с теорией электромагнетизма и возникла квантовая электродинамика – теория взаимодействия фотонов с электрическими зарядами. С другой стороны, была понята природа естественной радиоактивности. В этот период были открыты два новых типа взаимодействия – сильное и слабое, – которые еще нуждались в подробном и тщательном изучении.

Хотя хорошая версия квантовой электродинамики, позволяющая теоретически рассчитывать все эффекты взаимодействия на не слишком малых расстояниях, была построена только в конце 40-х годов, предвоенное десятилетие определенно характеризуется наступлением новой «ядерно-адронной эры». Собственно, это десятилетие стало преимущественно «ядерным»: были открыты практически все основные свойства атомных ядер, и уже в 1942 году заработал первый ядерный реактор! По-видимому, «ядерно-адронная эра» продолжалась примерно до середины 60-х годов и в послевоенные два десятилетия была преимущественно «адронной». К этому времени зародились и окрепли представления о сложной природе адронов, была отчасти исследована их структура и построены первые варианты кварковой модели.

Конечно, в физике и до сих пор не существует полностью удовлетворительной теории адронов. Нельзя исключить даже того, что для последовательного описания структуры адронов потребуется серьезная перестройка наших представлений. Стоит, однако, отметить одну интересную историко-научную параллель – описание новых структур часто приводило к коренной перестройке физических взглядов. Так, построение модели устройства солнечной системы привело И. Ньютона к новой формулировке всей механики. Аналогичные задачи для атомов и атомных ядер потребовали построения квантовой механики. С чем же придется нам столкнуться на этот раз, выясняя устройство адронов?

С адронами далеко еще не все ясно, но последнее десятилетие определенно можно считать началом «кварк-лептонной эры». Проблема взаимодействия бесструктурных объектов явно выходит на передний план. Тут и новейшие достижения нейтринной физики, позволившие перейти к исследованию слабых взаимодействий при высоких энергиях, и важная задача описания межкварковых сил…

Мы с вами уже в конце 4-й главы обсуждали гипотетическую таблицу истинно элементарных частиц – среди них есть и открытые непосредственно, и замеченные внутри адронов, и те, в существование которых просто верят. Так вот, «кварк-лептонная эра» и связана с попытками перейти к тщательному анализу именно этой необычной таблицы.

Однако новый этап постижения микромира имеет и свои особенности. Например, адронные процессы «множественного рождения» по-прежнему представляют принципиальный интерес. Ведь своеобразие кварков и глюонов в гипотетической таблице частиц может быть выяснено только на основе экспериментов с участием адронов. Почему кварки, обладающие вроде бы похожими свойствами сил, на очень малых расстояниях способны формировать адроны, а лептоны не способны к этому? Очевидно, что элементарная бесструктурная частица (кварк), будучи сама элементом структуры адрона, обладает особыми свойствами, делающими ее в принципе непохожими на другие бесструктурные частицы, например, на лептоны. Хорошо, но… какие это свойства?

Вопросов, как обычно, много, и все они интересны. Чем глубже мы уходим в микромир, тем интересней вопросы и удивительней ответы…

И наконец, последний вопрос: что нас ожидает впереди, какова очередная «эра»?

Пока практически в стороне остаются гравитационные взаимодействия. Возможно ли, следовательно, наступление «гравитационной эры»?

Это воистину жгучий вопрос. Силы тяготения очень малы по сравнению с другими, но зато они универсальны, действуют абсолютно на любые частицы и не подвержены какой-либо экранировке. Именно благодаря такой универсальности А. Эйнштейн и построил теорию тяготения, основанную на идее, что гравитация представляет собой свойство пространства-времени, а не отдельных видов материи.

Несмотря на всю привлекательность, эта теория оставалась все время в стороне от физики микромира, и не только из-за слабости гравитационного взаимодействия элементарных частиц, но и потому, что она так и осталась классической теорией.

В сущности, гравитация еще не подвергалась экспериментальному исследованию в микромире. Нам известно, как притягиваются друг к другу массивные макроскопические тела, скажем, планеты. Известно, что элементарные частицы также притягиваются к большим телам, например, путь фотона, пришедшего от далекой звезды, искривляется в поле тяготения Солнца.

Однако никто не знает, как взаимодействовали бы между собой за счет сил тяготения две элементарные частицы. К сожалению, природа не подарила нам такой элементарной частицы, которая была бы способна только к гравитационным взаимодействиям, подобно тому, как нейтрино участвует только в слабых взаимодействиях. Из-за этой несправедливости мы не можем пока выделить гравитационные процессы микромира в чистом виде. Любые другие взаимодействия просто «забивают» гравитацию. Разве что на фантастически малых расстояниях – по современным оценкам порядка 10^-33 сантиметра – тяготение должно превзойти все остальные силы…

Должно, если допустить, что оно действует между частицами так же, как и между макроскопическими объектами. В таком случае мы неявно предполагаем, что само пространство и время в очень малых объемах такое же, как и в очень больших. Но вот ведь в чем проблема: а существуют ли сами пространство и время в столь малых областях, могут ли они восприниматься нами так, как пространство нашей комнаты или время, отсчитанное по будильнику?

А вдруг задолго до наступления «гравитационной эры» откажет один из самых фундаментальных эталонов: модель пространства-времени? Это необычная, но интригующая возможность – ведь пространство-время, можно сказать, универсальная арена, на которой происходят все физические явления.

Идеи об изменении представлений о пространстве в очень малых областях развивались уже несколько десятилетий. Они возникли в определенной степени как реакция физиков на неудовлетворительное поведение электромагнитных сил на очень малых расстояниях. А могут ли частицы вообще подходить друг к другу сколь угодно близко? Не будут ли они всегда разделены каким-то, пусть очень малым, но конечным интервалом? Такие вопросы ставили перед собой теоретики еще в 30-х годах.

Если никакие частицы не способны приближаться друг к другу вплотную, то это положение проще всего отнести за счет свойств самого пространства. Оно может, скажем, не быть непрерывным, а состоять из отдельных квантов – протяженностей конечных размеров. А частицы могут находиться на расстояниях, пропорциональных величине этого кванта, умноженной на целое число. Таким образом, появляется как бы универсальная линейка, которая должна целое число раз укладываться на любом отрезке физического пространства. Размер кванта пространства называется фундаментальной длиной.

Постепенно модели квантованного пространства приобретали все более четкую математическую структуру и физическую интерпретацию. Благодаря глубокой идее Г. Снайдера, связавшего свойства квантованного пространства-времени с поведением импульсов частиц, и дальнейшему развитию и расширению этой идеи в работах советских теоретиков Ю. Гольфанда, И. Тамма, В. Кадышевского возник многообещающий подход к теории взаимодействия частиц в квантованном пространстве.

В настоящее время эта теория наиболее активно развивается в Дубне группой профессора В. Кадышевского. Возможно, самым впечатляющим результатом этого подхода оказалось моделирование партонного эффекта. На малых расстояниях между частицами, когда начинает чувствоваться фундаментальная длина, рассеяние выглядит так, как если бы в нем принимали участие точечные партоны.

Так что вероятней всего теория квантованного пространства может не хуже справиться с проблемой малых расстояний, чем концепция калибровочных полей.

Если окажется, что силы, возникающие при обмене глюонами, фотонами, а также дубль-вэ– и зэт-мезонами, то есть в любых известных взаимодействиях, ведут себя совершенно одинаково на очень малых расстояниях, то этот факт скорее, всего и будет означать появление новых универсальных свойств пространства в малом.

Иными словами, само развитие теории поля, которая справляется со многими трудностями, может привести к новой модели пространства. Однако это произойдет только при переходе к значительно меньшим расстояниям, чем мы изучаем сегодня – не более 10^-20 сантиметра.

Не исключена и более радикальная точка зрения, что фундаментальная длина составляет порядка 10^-17 сантиметра, и теория слабых взаимодействий вообще не потребует введения особых квантов-переносчиков (дубль-вэ– и зэт-мезонов). Эта гипотеза может быть проверена в не столь уж и далеком будущем, сразу после запуска накопительных колец на суперсинхротронах Батавии и ЦЕРНа.

Итак, вполне вероятно, что вместо истинно элементарных частиц, связанных необычными силами, Природа предложит нам более или менее привычные силы, но в совершенно необычном пространстве. А может быть, появится какой-то новый третий путь, который и приведет к цели.

Наступит ли «гравитационная эра»? Или «эра квантованного пространства»? Сможем ли мы достичь в ближайшее время единой трактовки кварков и лептонов? Будут ли наконец открыты сверхтяжелые переносчики слабых взаимодействий?

Ответы на эти и многие другие вопросы принадлежат будущему. Прекрасному и волнующему будущему науки, которое начинается сегодня!