Текст книги "Бег за бесконечностью"
Автор книги: Александр Потупа
сообщить о нарушении
Текущая страница: 15 (всего у книги 16 страниц)
Обсуждая множество серьезных и сверхсерьезных проблем, мы как-то позабыли о нашем прекрасном аппарате – машине времени. Негоже, чтобы такая полезная конструкция ржавела в углу, когда речь идет о более или менее далеких перспективах. Полеты в будущее потому и стали излюбленной темой фантастов, что прогнозы волнуют всех, и в то же время дело это сравнительно безобидное. Особенно если предсказываются вещи радостные и легко понятные.
Предсказатели-пессимисты должны всегда помнить о судьбе Кассандры, дочери троянского царя Приама. Ее сочли ненормальной, а между тем она выдала вполне оправдавшийся прогноз о скорой гибели Трои. Горькая судьба молодой царевны стала предметом многих споров. Как понимать случившееся элементарная несправедливость или воздаяние по заслугам за бессмысленное карканье? Впрочем, пессимистам всегда трудно добиться признания. Если их пророчества не оправдываются, то они попадают в неудобное положение «врагов прогресса». Если, наоборот, сбываются, то обычно и похвалить бывает некому на фоне беды их идеи выглядят весьма сомнительной заслугой.
С оптимистами все не так. Предсказав нечто пригожее, они имеют огромные шансы на признательность и современников и потомков. Если же предсказание не оправдывается – опять-таки не до ругани, люди, дескать, хорошего хотели, а теперь надо спасать положение, а не вспоминать об иллюзиях…
Вероятно, все мы просто обречены на оптимизм – мир устроен не так уж безупречно, чтобы баловаться более мрачными вариантами. Другое дело, формы проявления наших прекрасных надежд…
Размышления над всем этим очень полезны, когда пытаешься представить себе некоторые перспективы эксперимента и теории в физике высоких энергий. Включим нашу машину времени и постараемся попасть к тому моменту, когда произойдет покорение границы спектра космических лучей (1021 электрон-вольт) ускорительной техникой. Заранее вычислить этот замечательный день, конечно, трудно. Но если отталкиваться от известных сейчас средних темпов роста энергии – примерно десятикратного увеличения за десятилетие, – то можно получить вполне определенный ответ: ждать придется целый век.
Итак, 70-е годы XXI века. Мы выскакиваем из своей машины и сквозь огромную толпу пробираемся к месту, указанному на пригласительном билете.
– Проходите, проходите к телескопу, уважаемые предшественники, торопит нас распорядитель торжественной церемонии.
– А при чем тут телескоп? – удивляемся мы.
– То есть как это при чем телескоп? – в свою очередь, поражается нашей неосведомленности распорядитель. – Те, кто на ракетах, давно уже улетели…
Странный диалог, не правда ли? Словно бы на разных языках – мы про ускоритель, а он про астрономию. Между тем все очень просто. Прикинув срок запуска грандиозной установки, мы на основе все тех же современных представлений могли бы вычислить и приблизительный размер. И тогда все становится на свои места. Посудите сами – лучший современный синхротрон в Батавии имеет радиус ровно один километр и в принципе (после запланированной к началу 80-х годов замены магнитов) может разгонять протоны до 1000 ГэВ (1012 эВ). «Супербатавия» 70-х годов XXI века, на открытии которой мы испытали удивление, должна была бы иметь радиус порядка миллиарда километров!
Пусть за счет тех или иных технических усовершенствований этот размер уменьшится в десять, сто, наконец, в тысячу раз, но и в таком случае распорядитель открытия не обойдется без хорошего телескопа и без мощных ракет, чтобы показать людям эту технику. Ситуация явно попахивает «дурной фантастикой» – так и мерещатся старинные проекты телеграфного кабеля Земля Луна… Где-то мы просчитались!
Конечно, просчитались, и, видимо, не один раз. Если учесть, что выход на 1000 ГэВ произойдет где-то к концу текущего десятилетия, что вполне обосновано существующими проектами, причем практически сразу же будет построено накопительное кольцо, то уже через несколько лет мы сможем исследовать взаимодействия примерно при 2 миллионах гигаэлектрон-вольт. Уже сейчас обсуждаются проекты ускорителей следующего поколения с пучками протонов 10-100 тысяч ГэВ. Ясно, что они будут созданы с учетом лучших технических достижений, прежде всего в области получения сверхсильных магнитных полей в сравнительно компактных установках.
Несмотря на существенные усовершенствования, такой ускоритель окажется, видимо, чрезвычайно дорогостоящим «удовольствием», его строительство, скорее всего, будет вестись совместными усилиями Советского Союза, Соединенных Штатов и других высокоразвитых стран. С учетом непременных накопительных колец новое поколение суперсинхротронов обеспечит выход в изучении процессов взаимодействия примерно при 20 миллиардах гигаэлектрон-вольт (порядка 1019 эВ!). Правда, произойдет это вряд ли раньше начала 90-х годов нашего века.
После этого ожидается серьезный качественный сдвиг в используемых на практике принципах ускорения, скажем, применение коллективных методов ускорения или других не менее эффективных идей. В связи с таким преобразованием есть все основания предполагать, что на рубеже XXI века будут достигнуты заветные 1021 электрон-вольт, по крайней мере, в экспериментах на встречных пучках. Прорыв к протонным пучкам такой энергии для постановки «нормальных» опытов на неподвижной мишени, несомненно, потребует смены (и, возможно, не одной!) общей технической вооруженности и изобретения каких-то новых принципов концентрации энергии.
Не исключено, что основная идея ускорения выдержит испытание и в дальнейшем, но не будем забывать, что это лишь одна из наверняка многих возможностей.
Как это нередко случается, при покорении очередных грандиозных рубежей наступает момент переоценки ценностей. При высокой степени освоения околоземного космоса и создании научных баз на Луне, которые появятся в ближайшие десятилетия, могут оказаться выгодными методы искусственной концентрации космических лучей с помощью определенных комбинаций магнитных ловушек. Такому способу можно научиться у самой природы, поскольку примерно так и ускоряются потоки космических частиц в межзвездном и межгалактическом пространстве. Разумеется, этот фантастический проект потребует серьезных сдвигов в получении сверхмощных и устойчивых магнитных полей
Но это лишь одна и, наверное, не самая красивая возможность. Самое впечатляющее открытие в области методов ускорения частиц до супервысоких энергий, конечно же, впереди. И в этом особая притягательная сила науки – ее перспективы всегда намного фантастичней, чем могут представить себе самые глубокие и дальновидные пророки.
Нечто подобное происходит, разумеется, и в оценках будущего теории. Возможно, что известные частицы так и останутся в роли мельчайших структурных элементов мира, обладающих свойствами отдельных, в определенной степени «самостоятельных» объектов. Но это ни в коей мере не будет означать, что познание микромира достигло последней ступени. Напротив, именно теперь мы и сталкиваемся с совершенно новыми представлениями о структуре. На очереди понимание закономерностей эволюции частиц в области сильного взаимодействия, постижение картины формирования адронов.
Возникновение и постепенная разработка такой точки зрения – факт совершенно неожиданный для традиционных атомистических представлений, для которых более сложные объекты всегда сводились к конструкции из некоторого числа «простейших кирпичиков». Развивающиеся объекты, структура которых предопределяет конкретную программу их поведения, всегда были в некоторой степени чужды физике.
[Image002]
Примерно так выглядит «ускорительный альпинизм» За 40 лет достигнутые на ускорителях энергии выросли почти в миллион раз. Если такая тенденция сохранится впредь, то к концу нашего тысячелетия они достигнут границы изученного спектра космических лучей.
ОИЯИ – Объединенный институт ядерных исследований в Дубне (СССР).
ЦЕРН – Европейский центр ядерных исследований (Швейцария).
БНЛ – Брукхэвенская национальная лаборатория (США).
ИФВЭ – Институт физики высоких энергий в Протвине (СССР).
ФНАЛ – Национальная ускорительная лаборатория имени Э.Ферми в Батавии (США).
Эта традиция имеет довольно глубокие корни. Уже в фундамент механики Галилея и Ньютона, от которой «и есть-пошла» современная физика, были заложены представления о мире как о сравнительно простой машине, в основе устройства и работы которой лежали один-два фундаментальных силовых закона. В сущности, классики ни в чем не виноваты. Они вырабатывали свои идеи, отражая окружавший их мир, где венцом технической мысли и впрямь были простые механические устройства. И их величайшая заслуга в том, что они преодолели тяжкие путы средневековой концепции, трактовавшей мир как овеществленный «промысел божий» и считавшей собственно научный способ постижения закономерностей природы отнюдь не обязательным.
Но за истекшие три столетия снова многое изменилось. Механистические представления о всеобщности простых машин оказались бессильными перед целым рядом замечательных открытий. И первый феноменально мощный удар по ним нанесла биология, а конкретно – дарвиновская эволюционная теория. Наблюдаемое многообразие живого мира не есть «богом данное членение тварей», а представляет собой продукт длительного развития, восхождения по десяткам тысяч ступеней от простого к сложному, заявил великий английский ученый. И даже человек не является раз и навсегда установленным «венцом творения и носителем частицы духа господня» – он лишь высший этап эволюции земных существ.
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 мудреная 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 стадии, 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 последние 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 реакций 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!
