Текст книги "Вселенная в электроне"

Автор книги: Владилен Барашенков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 18 страниц)

Упрямые лептоны

Есть еще одно беспокоящее обстоятельство. Кварки позволили навести порядок среди элементарных частиц, помогли понять, что творится внутри этих мельчайших капелек вещества. Однако лептоны остались в стороне – их нельзя «склеить» из кварков.

Три электронноподобных брата, e, π и τ с тремя собачками-нейтрино и шесть античастиц – три «антибрата» и три «антисобачки». Эти «упрямцы» стоят особняком от других элементарных частиц и не хотят иметь с ними дела – взаимодействуют слабо. Все они точечные, по крайней мере, раз в тысячу меньше остальных частиц. Такое впечатление, будто они сделаны из другого «теста»!

По размерам и по специфичности, выделенности своего поведения лептоны ближе к кваркам, чем к составным частицам – адронам. Ведь кварки тоже очень мелкие частички. Да и число лептонов – шесть – таково же, как число кварков в каждой цветной шеренге. Едва ли такое сходство случайно, в природе ничего не бывает «просто так»…

А что, если лептоны лежат на той же «сверхэлементарной» ступени структурной лестницы, что и кварки? Более того, может, они вообще близкие родственники?

На побережье лазурного Адриатического моря, вдали от крупных промышленных центров, расположен международный Институт теоретической физики. Он содержится на деньги многих государств, и работать туда приезжают ученые со всех краев света – от Японии до Америки. Обмен мнениями, споры, совместные расчеты – все это очень способствует работе теоретиков. Несколько лет назад два сотрудника этого института, его бессменный директор пакистанский физик Абдус Салам (недавно он избран членом Академии наук СССР) и английский теоретик Джордж Пати, выдвинули смелую гипотезу о том, что лептоны не самостоятельные частицы, а всего лишь четвертое цветное (точнее, бесцветное, белое) состояние кварка.

Этих физиков не смутило большое различие свойств частиц, объединенных ими в кварковое семейство, – «бестелесных», не имеющих электрического заряда и движущихся со скоростью света нейтрино, с одной стороны, и тяжелого шестого кварка с дробным зарядом и массой, больше нуклонной, – с другой. Электрические заряды лептонов 0 и 1, то есть 0/3 и 3/3, хорошо укладываются в один ряд с зарядами кварков:

0/3, ∓1/3; ∓2/3, ∓3/3.

Что же касается различия масс, то, по мнению Салама и Пати, это результат влияния окружающего фона. Ведь вокруг всякой частицы образуется облако испущенных ею частиц-воланчиков, которые экранируют частицу и изменяют ее свойства. Только такие заэкранированные, закутанные в облака частицы с измененными, или, как говорят физики, эффективными, свойствами и наблюдаются в опытах. Здесь мы снова встречаемся с эффектом Архимеда: внутри облака частица чувствует себя, как в ванне. А поскольку плотность и состав облака зависят от величины заряда и от других ее характеристик, вес членов кваркового семейства оказывается различным. Для одних ванна кажется наполненной водой, для других – вязким маслом, а для третьих – густым сиропом, в котором они полностью теряют свой вес и приобретают невесомость.

О том, что члены семейства-мультиплета могут иметь разные массы, известно давно. Например, заряженные пи-мезоны несколько тяжелее π⁰-мезона: распределенное вокруг них электрическое поле дает добавку к их весу. Однако все эти расщепления составляют проценты, а в кварк-лептонном семействе они очень великие – на малых расстояниях, в тысячи раз меньших размеров адронов, действуют более мощные силы, и энергетические «ванны» вокруг частиц оказываются весьма эффективными.

На самом деле, конечно, все обстоит значительно сложнее, даже специалистам-теоретикам здесь еще не все ясно, но в первом приближении картину можно «нарисовать» с помощью экранирующих облаков и энергетических ванн.

Новая теория сократила список независимых элементарных частиц, сделала их таблицу более стройной. Однако одного этого еще недостаточно для того, чтобы физики поверили в гипотезу о тесной связи кварков с лептонами. Ведь, по существу, новая теория лишь заменила один непонятный факт, «упрямство лептонов», другим – их «кровным родством» с кварками. Это все равно, что пытаться старую тайну объяснить с помощью новой загадки. Как говорит пословица: «Хрен редьки не слаще».

Можно придумать целую цепочку гипотез, где каждая следующая нужна лишь для оправдания предыдущей. Так однажды в наш институт пришло письмо, автор которого, десятиклассник, выдвигал гипотезу: раз все в природе развивается, то должны развиваться и частицы, поэтому нейтрино, электрон, протон и так далее – это одна и та же частица в разные периоды ее жизни. Чтобы объяснить, почему нет частиц, соответствующих промежуточным моментам времени, вводится еще одно предположение: время только кажется непрерывным, а на самом деле в нем есть прорехи, поэтому промежуточных моментов просто не существует. Дальше автор письма не пошел, но если пофантазировать, то цепочку гипотез можно продолжить. В институты приходит много подобных писем. Их общий недостаток – произвольность допущений. Современная физика (равно как и другие разделы знания) таких гипотез не признает, считает их ненаучными.

Но так было не всегда.

«Бритва Оккама»

Шесть с половиной веков отделяют нас от эпохи, когда жил Уильям Оккам – член Ордена нищенствующих монахов, человек очень образованный, выступавший с лекциями по богословию и логике. Это было время, когда наука играла роль робкой служанки церкви и ютилась на задворках монастырей и соборов. Главным «научным» доводом тогда было: «Это вытекает из святого писания», или просто: «Так угодно богу». Однако накапливались экспериментальные данные, люди все больше и больше узнавали об окружающем мире, и в среде ученых монахов голос слепой веры все чаще сменялся голосом разума: почему же все-таки так, а не иначе? К числу таких размышляющих монахов принадлежал и Оккам.

С портретного наброска в рукописи XIV века смотрит коротко остриженный, аскетического вида монах в рясе, с худым, продолговатым лицом и внимательными глазами. О его происхождении и юношеских годах мы знаем мало. Доподлинно известно лишь то, что первую часть жизни он провел в Англии, где его остроумные, часто язвительные, но всегда трудно опровергаемые выступления быстро принесли ему известность. Кончилось тем, что канцлер Оксфордского университета обвинил его в ереси и под стражей отправил в Авиньен – тогдашнюю резиденцию папы, где в ожидании суда Оккам долгих четыре года провел в заключении. Следствие тянулось, суд постоянно откладывали, а тем временем от Оккама обещаниями и угрозами старались добиться смирения и покаяния. Однажды ночью вместе с двумя другими узниками ему удалось бежать. На лошадях в большой спешке они добрались до побережья, где их ждала галера. Всю дальнейшую жизнь Оккам посвятил борьбе против папы.

В то время было обычным строить длинные схоластические рассуждения, цепляя одно предположение за другое. Для объяснений явлений природы привлекалось множество различных гипотез о всевозможных «тонких», не ощущаемых нами «флюидах», субстанциях и «сущностях». Понятно, что таким путем удавалось объяснить, а главное, согласовать со священным писанием все что угодно. В словесных дуэлях со своими противниками Оккам первым стал использовать в качестве оружия принцип: «Не следует с помощью большего делать то, чего можно достигнуть меньшей ценой», или более кратко: «Сущностей не следует умножать сверх необходимого». Этот принцип, как бритва, срезал слабо обоснованные доводы противников, позволяя вылущивать зерна истины. С тех пор «бритва Оккама» стала одним из основных принципов, краеугольным камнем научного исследования.

Второй краеугольный камень – обязательная проверка экспериментом. Были века, когда ученые не очень заботились о проверке своих теорий опытом. Доказательства на основе логических рассуждений считались более надежными и убедительными, чем эксперименты, всегда несколько неточные и зависящие от приборов. Например, крупнейший ученый древности Аристотель в своих трудах утверждал, что у женщин зубов меньше, чем у мужчин. Ему и в голову не приходило проверить это утверждение опытом, хотя он дважды был женат. Этот пример выглядит историческим анекдотом, но он правильно передает атмосферу пренебрежения к эксперименту, которая царила в науке в течение многих веков. В современной науке проверка экспериментом обязательна, опыт – главный судья. Какой бы логически стройной и замкнутой ни была теория, до тех пор, пока ее выводы не подтверждены на практике, она относится к разделу недоказанных гипотез. Если же теория такова, что ее выводы можно проверить опытом лишь когда-то в очень далеком будущем, то ученые подходят к ней с большой осторожностью.

Все вокруг радиоактивно!

Вернемся к гипотезе о кварк-глюонном родстве. Теория Салама и Пати была первой разведкой в этом направлении. Как говорил Гете, смелые мысли подобны передовым шашкам в игре – они гибнут, но обеспечивают победу! Сегодня физики отдают предпочтение другим, более совершенным вариантам теории. Но все они обладают общим недостатком: их предсказания и выводы можно проверить лишь при очень высоких энергиях, в миллиарды раз превосходящих то, что дают современные ускорители. Энергии космических частиц для этого также недостаточно. Даже у самых быстрых из них энергия в сотни раз меньше того, что нужно.

Казалось бы, кварк-лептонным теориям уготована участь пылиться в дальнем ящике письменного стола теоретиков. Есть такие теории, о которых говорят, что они «из области фантастики и, может, даже не научной»!

К счастью, природа оставила маленькую, как замочная скважина, щелку, через которую уже сегодня можно заглянуть в край сверхвысоких энергий.

В теориях, основанных на кровном родстве лептонов и кварков, пчелки-глюоны, перенося цветовую «пыльцу», могут сделать красный, синий или желтый цветок белым, то есть превратить его в лептон. Составная частица адрона, внутри которого произошло такое превращение – например протон, – сразу же распадется, поскольку частиц, состоящих из смеси лептонов и кварков, в природе нет. Подобной радиоактивности протона нет ни в одной другой теории, поэтому если ее обнаружат на опыте, это будет убедительным доказательством того, что лептоны и кварки – близкие родственники.

Правда, вывод о радиоактивности протона несколько пугает. Получается, что радиоактивно и с течением времени должно распасться все – все атомы мира. Оптимистической такую перспективу не назовешь!

Однако опасаться нам нечего. Расчет говорит, что протоны распадаются крайне редко. В стакане воды один распад происходит за десять тысяч лет, а чтобы распадалось по одному протону в сутки, нужен большой пруд, объемом со школьный спортзал. В теле человека за всю его жизнь, от рождения до смерти, в среднем распадается не более одного протона. Как видно, потери невелики. Пройдет неисчислимое количество лет, прежде чем убыль атомов в мире станет заметной.

Как же обнаружить такие сверхредкие события?

Прежде всего заметим, что у протона – положительный электрический заряд, поэтому при его распаде должна обязательно образоваться какая-то положительно заряженная частица, она распадается на более легкие частицы и так далее до тех пор, пока не образуется позитрон, которому распадаться больше уже не на что. Двигаясь в веществе, он столкнется с одним из атомных электронов и превратится (аннигилирует) в кванты света. Эти искорки света – сигналы о происшедших в веществе «протонных катастрофах». Засечь их труднее, чем найти иголку в стоге сена. Приходится наблюдать сразу за очень большим числом протонов, для чего используют огромные объемы прозрачной жидкости – иногда тысячи или даже десятки тысяч тонн – и много высокочувствительных детекторов света. Это можно сравнить с сетчатыми глазами гигантской стрекозы, застывшей в ожидании добычи. Чтобы исключить фон космических лучей, где есть свои позитроны, измерения выполняют глубоко под землей, например, в шахте для добычи золота в Южной Америке глубиной три километра или у нас на Кавказе в толще гор. А для того чтобы долгожданные искорки протонных распадов не затерялись в хаосе всевозможных случайных помех, применяются сложные системы электронной фильтрации регистрируемых сигналов.

Опыты продолжаются уже несколько лет, и, хотя ни одного случая распада протона до сих пор не обнаружено, физики не складывают оружия. Создаются установки еще большей величины, а некоторые из проектируемых выглядят просто фантастическими. Так, планируется строительство прибора с объемом в кубический километр. Куб со стороной, равной высоте почти двух Останкинских телевизионных башен! Такое циклопическое сооружение можно разместить лишь в толще океана или в глубоком озере, например в Байкале.

Поиск протонных распадов часто называют экспериментом века. Его успех будет веским доказательством того, что наши представления о глубинах микромира в целом правильны. Напротив, отрицательный результат прозвучит тревожным сигналом о том, что физики в чем-то крупно ошибаются, и тогда придется искать новую дорогу в недра микромира. Понятно, почему физики с таким интересом встречают все сообщения с «протонного фронта»! Да и не только физики, результат опытов очень важен также для астрономов и философов – ведь от его исхода зависят предсказания дальнейшей эволюции и судьбы окружающего нас мира.

«Великое объединение»

Слои «облаков», окружающие частицы, экранируют их заряды, поэтому, надевая «шубы», частицы изменяют не только свои массы, но и заряды. Другими словами, расщепление массы «голой» частицы при облачении ее в «шубу» должно сопровождаться распадом единого исходного взаимодействия на несколько отличающихся по своим свойствам типов. Можно думать, что четыре основных вида сил, действующих между частицами – очень сильные «цветовые», умеренно сильные электромагнитные, слабые силы всемирного тяготения (гравитация), очень слабые, проявляющиеся в распадах частиц, – как раз и есть проявление этого расщепления.

Если бы можно было заглянуть внутрь облачного покрова частиц – например, так, как это делают на планете Венера с помощью спускаемых на парашютах станций-зондов, – частица с различных высот выглядела бы заряженной по-разному. Именно так, всегда различно заряженными, видят друг друга сталкивающиеся частицы. Чем больше их энергия, тем глубже они проникают друг в друга и тем отчетливее ощущают «дыхание» их центральных неэкранированных зарядов. Поэтому можно ожидать, что с ростом энергии различные типы взаимодействий будут становиться все более похожими и при очень высоких энергиях сольются в одно-единое взаимодействие. Произойдет «великое объединение» всех сил природы.

Реальное положение дел несколько сложнее. Экранирующие облака образуются не только вокруг заряда, но и вокруг каждой частички-воланчика, которыми прощупывают друг друга сталкивающиеся частицы. Воланчик тоже превращается в целое семейство частичек-сестричек, различающихся фасоном своих «шубок». Если она очень тяжелая, воланчик переносит взаимодействие только на ультрамалые расстояния. Вдали от центра частицы такие воланы почти не встречаются, и связанное с ними взаимодействие проявляется там очень слабо. В других случаях воланы – «легко одетые» частицы, они способны далеко уйти от испустившего их заряда, и с их помощью происходит взаимодействие на больших расстояниях.

Тип взаимодействия, его свойства зависят от экранировки заряда и от его переносчиков – воланов. Лишь в глубине частицы, вблизи ее «обнаженного» заряда, где воланчики еще не успели полностью надеть свои «шубки», все типы взаимодействий становятся одинаковыми – сходятся воедино.

Не только строение, но и силы, связывающие «самые элементарные» частицы, лептоны и кварки, оказываются необычайно сложными. Простейшими точками эти частицы никак не назовешь!

Все действующие в природе силы можно представить в виде развесистого дерева, растущего из недр Вселенной. В обыденной жизни мы имеем дело с его многочисленными веточками и листьями. Углубляясь в микромир, мы сначала встречаемся с более крупными ветками, потом с сучьями и, наконец, с его стволом. Понять, что природа устроена таким образом, физикам было очень непросто. Ведь, например, сила тяготения двух электронов в миллиарды миллиардов раз меньше их электромагнитного отталкивания. Трудно поверить, что это – «ветви» одного дерева!

К идее «великого объединения» физики пришли совсем недавно – каких-нибудь пятнадцать – двадцать лет назад, хотя первый шаг в этом направлении был сделан очень давно, еще полторы сотни лет назад, английскими учеными Майклом Фарадеем и Джеймсом Максвеллом. Они жили в эпоху, когда наука, по существу, еще только приступала к детальному изучению окружающей природы и многие удивительные факты лежали буквально на поверхности, их можно было исследовать в любой маленькой лаборатории, тем более что для опытов не требовалось многоэтажного оборудования с десятками специалистов, как в современных институтах. В большинстве случаев было вполне достаточно нескольких стеклянных трубочек, куска сургуча и мотка медной проволоки. Просто поразительно, сколько замечательных открытий было сделано в то время и с помощью самых примитивных средств! В это золотое для физики время и была установлена связь трех издавна известных, но с первого взгляда таких различных по своей сути явлений – света, электричества и магнетизма. Фарадей обнаружил это на опыте, а Максвелл создал теорию.

В жизни и в характере этих людей было мало похожего. Фарадей, сын кузнеца и горничной, не закончивший даже начальной школы, с двенадцати лет вынужденный работать разносчиком газет, а затем подмастерьем мелкой печатной мастерской. Максвелл родился на сорок лет позже в аристократической шотландской семье и еще в юности получил блестящее образование. Майкл Фарадей отличался необычайным трудолюбием и целеустремленностью. Он в двадцать пять лет издал свою первую работу, а в тридцать три года был избран членом Лондонского королевского общества – для высокомерной и чопорной Англии факт удивительный. Наука для него была целью и смыслом жизни. Для Джеймса Максвелла, богатого и обеспеченного человека, научные изыскания не являлись источником существования. Они были лишь его увлечением. Он разбрасывался в своих интересах, брался за решение самых разнообразных задач. В статьях Фарадея нет ни одной математической формулы, Максвелл блестяще владел математикой и использовал в своей работе самые сложные ее разделы.

Общим у этих ученых было самое главное – глубокое проникновение в суть изучаемых физических проблем. Каждый из них не мог бы сделать того, что сделал другой. А вместе они создали электродинамику – науку, которой мы обязаны электростанциями и электромоторами, радио и телевидением и множеством других веществ, без которых трудно представить современную жизнь.

Фарадей первым открыл электромагнитное поле. Он доказал, что электричество и магнетизм – это два компонента единого целого: распределенного в пространстве поля. Если ранее считалось, что мир состоит только из вещества, то Фарадей добавил к этому новую сущность – электромагнитное поле, которое может быть «привязанным» к зарядам и токам, порождая действующие вокруг них силы, либо отрываться от них в виде светового излучения.

Мы уже знаем, что поле – это совокупность частиц-фотонов, движущихся по волновым законам. Ничего этого ни Фарадею, ни Максвеллу, понятно, не было известно. Они представляли себе поле в виде особых напряжений в заполняющем пространство эфире, чем-то вроде натянутых резиновых нитей и трубочек. Фарадей называл их силовыми линиями. Они стягивали или, наоборот, подобно пружинкам, расталкивали заряды и токи. Приближенная, но очень наглядная модель, хорошо имитирующая свойства электромагнетизма!

Следующий шаг на пути к «великому объединению» был значительно более трудным. Он был сделан лишь в середине 60-х годов XX века. Внимание физиков тогда привлекли слабые взаимодействия. Они обладали странной особенностью: для всех других сил можно указать промежуточное поле, кванты которого служат воланчиками в бадминтоне взаимодействующих частиц, а вот в распадных процессах частицы «разговаривают», так сказать, напрямую, без всяких посредников, толкая друг друга, как бильярдные шарики.

Естественно предположить, что в этом случае тоже происходит обмен воланчиками, но только такими тяжелыми, что весь процесс происходит на очень малых, еще не доступных нам расстояниях, а со стороны это выглядит, как будто частицы просто толкают друг друга. На больших расстояниях проявляется лишь «хвост» взаимодействия. Это объясняет, почему оно такое слабое. Сильным оно становится внутри лептонов и кварков.

Расчеты показали: если бы не большая масса промежуточных частиц, то такое взаимодействие по своим свойствам было бы очень похожим на электромагнитное. И вот трое физиков – Абдус Салам, Стив Вайнберг и Шелдон Глешоу – допустили, что фотон и тяжелые промежуточные частицы слабого взаимодействия – это одна и та же частица, только в различных «шубах». Разработанную ими теорию – ее стали называть «электрослабой», поскольку она, как частный случай, содержит электродинамику и старую теорию слабых взаимодействий – вскоре подтвердил эксперимент. В опытах на ускорителях были выловлены тяжелые воланчики электрослабого поля – три брата-мезона с массой, почти в сто раз большей протонной.

Создание теории электрослабого поля и экспериментальное открытие его тяжелых квантов было отмечено сразу двумя Нобелевскими премиями – самыми почетными международными наградами ученым.

В развитии науки бывают этапы, когда она летит вперед, как корабль с надутыми ветром парусами. Одна идея рождает другую, успех следует за успехом! Мощный прорыв в Страну Неизвестного! Не дожидаясь подхода тяжелой артиллерии эксперимента, теоретики атакуют опорные пункты, стараясь как можно дальше продвинуться в глубь неизвестного. В тылу остаются невыясненные детали, отложенные проблемы, болота сомнений. Все это потом, прежде нужно овладеть главными позициями, создать общую картину. О таком времени впоследствии вспоминают: «Золотой век»!

Такое счастливое время переживает теперь физика. Вдохновленные открытием электрослабого поля, теоретики с ходу сделали еще один шаг – объединили его с цветовым полем. Семейства фотона и трех его братьев-мезонов породнились с глюонами. Новая семья отвечает за перенос цвета и аромата, связывает кварковые и лептонные состояния. А самые смелые теоретики присоединили к объединенному полю еще и гравитацию – всемирное тяготение. Получилась чрезвычайно сложная теория, где на каждом шагу встречаются неожиданные пропасти, тупики и узкие скользкие тропы. Это область теоретических поисков и гипотез, полигон, где теоретики обкатывают свои творения. Здесь масса вопросов, мало ответов и много надежд.