Текст книги "Кварки, протоны, Вселенная"
Автор книги: Владилен Барашенков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 14 страниц)
Если такая картина верна, то антимиров просто нет – они давно сгорели в бурных реакциях распада и аннигиляции. В крайнем случае отдельные острова антивещества могли уцелеть где-нибудь на краешке Вселенной, среди других осколков Большого взрыва. Что вероятнее? Скорее всего, первый вариант: у Вселенной нет частей, состоящих из антивещества. Жаль, конечно расставаться с красивой мечтой о зарядовом зазеркалье, об антимире, отделенном от нас стеной аннигиляционного огня, но и теория, и опыт говорят за то, что античастицы в современном мире – лишь редкие гости, рождающиеся в ядерных реакциях.
А. А. Фридман открыл самое грандиозное явление природы из всех, которые мы можем сегодня себе представить. Рождение и расширение всей Вселенной – что может быть грандиознее?! Но его открытие касалось
лишь геометрии пространства и времени; теорию Большого взрыва, в котором из праматерии образовалось вещество нашего мира, создали четверть века спустя другие ученые, и прежде всего Георгий Гамов.
Как и Фридман, он наш соотечественник, вернее родом из России, даже из того же Петрограда, где перед самой революцией и в течение нескольких лет после нее протекала деятельность Фридмана. В 30-х годах Ленинградский политехнический институт послал Г. Гамова в командировку в США, где он и решил остаться навсегда. Если говорить о научных результатах, то жизнь этого необычайно талантливого человека может показаться более чем благополучной. Еще сотрудником Ленинградского физико-технического института он приобрел мировую известность своими работами по квантовой механике. В США он принимал участие в расчетах, связанных с атомной бомбой, одним из первых расшифровал генетический код. Его астрофизические исследования были незаурядны, если не сказать больше. Но в частной жизни это был внутренне издерганный, одинокий человек, прятавший тоску за деланной веселостью. Семейная жизнь у него не сложилась. Работа да еще сочинение научно-популярных брошюр – это все, что у него оставалось.
Я познакомился с Гамовым в середине 50-х годов на конгрессе по теоретической физике, в одном из больших шумных городов на Тихоокеанском побережье США. Высокий седой человек в элегантном сером костюме и с ярким галстуком, он говорил сразу на нескольких языках, шутил, балагурил. Но когда мы вышли пройтись по парку, он вдруг сделался задумчивым и печальным. Расспрашивал о физиках, которых когда-то знавал, об условиях работы в наших новых институтах. В его расспросах чувствовалась грусть и горечь. В номере гостиницы, который он занимал, меня поразил застоявшийся запах виски. Неубранная постель, на столе и на двух креслах разбросаны листы рукописи, виноградные косточки, кожура бананов...
Как-то я спросил его напрямик, не хочет ли он вернуться на родину.
– Поздно. Жизнь не стрелки часов, ее нельзя повернуть обратно. В молодости мы не думаем об этом...
И тут же рассказал какой-то американский анекдот, стараясь отогнать неприятные мысли.
Через несколько лет Гамов умер. Говорят, в полном одиночестве.
Идея рождения мира «из точки» в огненном пекле Биг Бэнга нашла среди ученых признание далеко не сразу. С энтузиазмом ее встретила лишь католическая церковь, объявившая новую теорию научным подтверждением библейского мифа о сотворении мира. Мне как-то пришлось видеть статью в популярном американском журнале, где говорилось буквально следующее: «Когда с большим трудом ученые поднялись на вершину знаний о Вселенной, они с удивлением встретили там давно поджидавших их теологов». Редкая статья или книга, посвященная религиозной трактовке современной науки (а таких изданий за границей выходит множество), обходилась тогда без ссылок, на теорию Большого взрыва.
Да, безусловно, проблема, происхождения окружающего нас мира интересовала человека с незапамятных времен. В трудах древнегреческих ученых, живших две с половиной тысячи лет назад и позже, уже можно найти различные модели бесконечной в пространстве и неограниченной во времени Вселенной. В их основе была и логика, чистое рассуждение, и анализ наблюдений. О происхождении, мира размышляли еще раньше – в Древнем Египте, в Шумере и Аккаде, в Ассирии и Вавилоне, в Иудее и Персии, в Индии и Китае. Но эти размышления воплощались не в научных теориях, пусть даже и наивных, а в мифах и легендах. Из них-то и исходило широко распространившееся христианство, провозгласившее в качестве едва ли не одного из своих догматов ограниченность мира в пространстве и времени. В этом смысле его космогония была по сравнению с древнегреческой (от религии, как мы говорили, независимой) шагом назад. В трудах греческих ученых признавалось лишь то немногое, что не противоречило новой религии; большая же часть их сочинений была объявлена языческой ересью. Такую же позицию занял распространившийся спустя несколько веков ислам. По отношению к науке, особенно к космогонии и космологии обе враждовавшие между собой религии проявляли редкое единодушие.
Угодная религия, а по существу, древнемифологическая идея ограниченного в пространстве и времени мира, погруженного в нечто не доступное человеческому разумению, не имеющее ни длительности, ни протяженности
владела умами в течение многих веков. Возврат к древнегреческим представлениям о вечном и беспредельном мироздании наметился лишь в XVI в. Пламя костра, на котором в 1600 г. был сожжен ученый монах Джордано Бруно, ярко осветило ветхость религиозных представлений об устройстве Вселенной, обострило сомнения, подтолкнуло к размышлениям. Церковь еле сдерживала натиск науки Возрождения, а с наукой Нового времени бороться уже не могла. Галилей был последней ее жертвой. Убеждение в вечном существовании мира, у которого нет ни конца, ни края, постепенно сделалось основой научного понимания природы. Среди образованных людей стало общепризнанным, что Вселенная в круговороте своих форм бесконечна, и если в одном месте в какой-то момент времени что-то заканчивает свое существование, то это «что-то» неизбежно снова возникнет в другом месте и в другое время. Такое миропонимание хорошо согласовывалось с астрономическими наблюдениями. Вопросы о том, откуда произошел мир, может ли наступить его конец, стали считаться схоластическими, ненаучными, даже праздными.
Никакая, однако, научная теория, не может претендовать на универсальность. Мир неисчерпаем; неисчерпаем, следовательно, и взгляд на него: рано или поздно всякая теория заменяется более общей, а ее предшественница становится ее частным случаем. То же произошло и с классической космологией. Ей на смену пришла теория Большого взрыва и расширяющейся Вселенной.
За свою долгую историю люди придумали много научных и ненаучных объяснений природы. Различаются они тем, что научные выводы, даже самые удивительные и диковинные, в отличие от ненаучных, чаще всего религиозных,– это не просто утверждения, в которые можно верить или не верить. Все научные выводы могут и должны быть проверены опытом. В этом главное различие научного и религиозного подходов к объяснению природы. Было бы ошибочно думать, что в науке все строго обосновано и доказано. В ней всегда присутствует интуитивный элемент веры – допущения и гипотезы. Полностью избавиться от него нельзя, да и не следует избавляться; как это ни парадоксально, но без веры наука развиваться не может. Однако в отличие от религиозной вера научная непременно, по крайней мере в принципе, допускает экспериментальную проверку и с течением времени либо отбрасывается как ложная, либо просто входит в тело науки в качестве уже не веры, а знания.
Именно опыт, результаты наблюдений убедили ученых в том, что теория Бит Бэнга и расширяющегося пространства точнее других теорий описывает пространственно-временную структуру нашего мира. Прежняя стационарная модель мироздания с неизменным, инертным пространством оказалась применимой лишь к сравнительно небольшим временным интервалам, не слишком удаленным от нашей эпохи. В масштабах миллиардов лет уже нельзя не учитывать эволюции мира. И уж совсем не подходит стационарная модель ко временам начала расширения Вселенной, когда за ничтожные доли секунды Вселенная изменялась больше и резче, чем за миллиарды лет ее последующего более спокойного развития.
Когда в четвертой главе мы рассказывали о реликтовых кварках, уже говорилось, что никакого «творения из ничего» в подлинном смысле этого слова (когда сначала не было абсолютно ничего и вдруг стало) не произошло. Обнаруженная Фридманом особая точка в пространстве-времени – это переломный момент, когда радикальным образом изменились основные свойства мира – заполняющей его материи, пространства, времени Почему это произошло, откуда «вынырнула» наша Вселенная, каковы были свойства мира до ее появления – это во многом еще только предстоит выяснить. О некоторых гипотезах и «сумасшедших» идеях физиков теоретиков на этот счет мы поговорим в главе одиннадцатой, посвященной нерешенным проблемам пространства и времени.
ГЛАВА ВОСЬМАЯ,
где рассказывается о загадке, вот уже сто лет не дающей покоя физикам, о поиске магнитных зарядов-монополей, о частицах-«убийцах», одно присутствие которых вызывает распад окружающего вещества
Недавно мне на глаза попался журнал с короткой заметкой, которая предварялась броскими, набранными жирным шрифтом фразами-анонсами: «Открыто магнитное вещество! Частица-монополь! Изолированный магнитный полюс!» Далее сообщалось о том, что сверхчувствительный прибор-анализатор, построенный в одном из американских университетов для поиска магнитных зарядов, зафиксировал импульс – след прошедшей сквозь прибор магнитной частицы.
Автор заметки, как ясно всякому специалисту, перестарался. На основании одного-единственного импульса еще нельзя сделать надежных заключений. Это могло быть и капризом аппаратуры. Как ни изощряйся, какие предосторожности ни принимай, такие капризы случались не раз прежде, случаются и в наши дни. Об открытии говорить рано, нужны подтверждения.
Нечто подобное как раз было несколько лет назад. На одной из международных конференций группа американских физиков сообщила, что высоко над землей, в космических лучах, им удалось обнаружить частицу, у которой вместо электрического заряда был магнитный. Сенсация быстро облетела все лаборатории мира. Сообщение американцев обсуждалось на семинарах и в рабочих кабинетах, в коридорах и в столовых. Еще бы если есть хоть одна такая частица, то почему не быть целому миру, в котором «все, как у нас», но электрические заряды заменены магнитными? Магнитные атомы, магнитные молекулы... Как в волшебном зеркале: все, что было электрическим, стало магнитным, а магнитное – электрическим. Может, и в нашем мире удастся создать когда-нибудь такое необычное «магнитное вещество»?
А потом все затихло. Оказалось, что результаты наблюдений можно объяснить без магнитных зарядов. Манящая дверь в волшебный магнитный мир так и не открылась.
Но возможен ли вообще такой мир? Откуда физики взяли, что между электрическими и магнитными свойствами природы должна быть симметрия?
Для того, чтобы ответить на эти вопросы, придется мысленно перенестись на 150 лет назад – в Англию позапрошлого века. Это было время бурного развития промышленности. По всей стране возникали фабрики и заводы со сложными (по тем временам, разумеется) станками и механизмами. Для их создания и совершенствования требовались научные изыскания. Важными становились разделы науки, еще недавно считавшиеся чисто кабинетными, не имеющими никакого практического значения. А это, в свою очередь, подталкивало ученых к исследованию новых явлений, тем более что физические приборы были еще очень просты, и любой человек со средствами, даже относительно скромными, мог создать домашнюю лабораторию, оборудованную на «уровне мировых стандартов».
Наверное, тогда и вошел в литературу образ гениального ученого-одиночки, ниспровергающего мировые законы в подвале своего дома. Как мало это похоже на современную науку! Ученые тогда, по существу, еще только приступали к детальному изучению окружающей природы, и их интересовало все. В поисках новых законов они сопоставляли и связывали явления, которые до того, казалось, не имели межу собой ничего общего. Исследования «на вольную тему», эксперименты для проверки «сумасшедшей» идеи – все это было обычным делом. И результаты часто бывали просто поразительными. Настоящий калейдоскоп открытий! Именно тогда была установлена связь трех явлений, на первый взгляд не имеющих между собой ничего общего: электричества магнетизма и света. Человечество обязано этим нескольким ученым, но прежде всего Майклу Фарадею.
Самое важное достижение Фарадея – открытие электромагнитного поля. Оказалось, что электричество и магнетизм – это две части единого целого – распределенного в пространстве поля. Если до того считалось, что мир состоит из вещества, то теперь к этому добавилась новая сущность – электромагнитное поле, которое может быть либо «привязанным» к зарядам и токам, порождая действующие вокруг них силы, либо отрываться от них в виде светового излучения.
Сотни опытов проделал Фарадей, изучая свойства открытого им электромагнитного поля и его взаимодействие с веществом. Целый каскад неожиданных догадок и остроумных гипотез! Можно только поражаться фантазии и изобретательности этого человека. И вот что интересно: каждый новый эксперимент свидетельствовал о замечательной симметрии электричества и магнетизма. Любому электрическому явлению всегда можно было, как в зеркале, найти соответствующее магнитное.
Когда знакомишься с поражающим воображение перечнем опытов, проделанных Фарадеем, может показаться, что он действовал методом слепого перебора вариантов, или, как грубовато говорят физики, «методом тыка», перебирая наугад различные комбинации. Но, это не так. Атмосфера смелых экспериментов, свойственная его времени, безусловно, наложила отпечаток на творчество ученого, однако в процессе своих опытов Фарадей сумел составить глубокие и в целом правильные представления о природе электромагнетизма. Эти представления и были тем внутренним компасом, которым он руководствовался при постановке все новых и новых экспериментов.
Правда, в статьях Фарадея нет ни одной математической формулы, его представления были наглядно-качественными, с помощью его силовых, линий и трубок трудно делать точные расчеты. Строгий математический вид электромагнитной теории придал другой великий английский физик – Джеймс Клерк Максвелл, родившийся на 40 дет позже своего предшественника, как раз тогда, когда тот сделал главное свое открытие – доказал, что магнетизм может превращаться в электричество.
Современникам новая теория казалась чрезвычайно сложной. Даже значительно позже, уже в начале нашего столетия, профессор Московского университета Станкевич говорил своим студентам: «Теперь мы переходим к новой главе нашего курса. Это теория Максвелла, которая настолько сложна, что лекционному изложению не поддается. Вы можете с ней познакомиться по моему монографическому курсу, а курс приобретите у швейцара Андрея. Переходим к следующей главе».
Физическим теориям свойственна одна замечательная особенность: если их математические формулы правильно отражают природу, то они не просто описывают некий опыт, а являются его обобщением; по этой причине их содержание значительно богаче исходных экспериментальных данных. Они предсказывают новые, неизвестные факты, экспериментальное подтверждение которых убеждает нас в правильности теории. Все это относится и к теории Максвелла. Вместе с механикой Ньютона она составляет фундамент физики. Правда, вскоре после eе создания ученые заметили удивительную особенность. Несмотря на то что электрическое и магнитное поля являются двумя равноправными половинками единого поля или, точнее, двумя сторонами одной модели и входят в уравнения теории Максвелла совершенно симметрично, полного равноправия электричества и магнетизма все же нет. Электричество имеет источники-заряды, а магнитных зарядов нет: магнетизм порождается токами, то есть опять-таки электрическими зарядами, только движущимися. Каждый школьник знает что, распилив магнит, он не получит двух кусков с разными магнитными зарядами – каждый кусок снова окажется магнитом с двумя полюсами. Другими словами, в природе встречаются только двухполюсные или как говорят физики, дипольные магнитные системы и нет изолированных полюсов-монополей.
Даже элементарные частицы, и те, подобно магнитной стрелке, имеют по два магнитных полюса. Ведь каждая из них окутана облаком испущенных ею виртуальных частиц. Их движение создает внутренние электротоки, и весь объект становится похожим на микроскопический электромагнит. Например, магнитные свойства протона обусловлены в основном током заряженных мезонов в его периферической оболочке. Электрон, правда, в этом смысле сложнее. Никаких внутренних частей у него не обнаружено, во всех опытах он проявляет себя как точечная частичка, и в то же время он магнит. Впрочем, у протона тоже есть небольшая часть магнетизма, которую не удается объяснить движением входящих в его состав зарядов. Некоторые физики связывают это с глубинной, кварк-глюонной структурой. Не исключено, впрочем, что магнитные свойства частиц имеют и более глубокие корни – где-то внутри самих глюонов и кварков.
Как бы там ни было, факт остается фактом: электрические заряды есть, а одиночные магнитные полюса никогда и нигде не наблюдались. Сразу же возникает вопрос: для чего природе потребовалась такая асимметрия, разве не проще было бы иметь два типа зарядов – электрические и магнитные? Почему природа не воспользовалась такой возможностью, а пошла по более сложному пути – ведь просто так ничего не бывает? Эта загадка уже давно не дает физикам покоя.
Может быть, это всего лишь свойство той части Вселенной, где мы живем, а в других ее областях, наоборот, есть магнитные, но нет электрических зарядов? А может, нас окружает совершенно симметричный нашему электромагнитный мир, только магнитные заряды-монополи мы по какой-то причине еще не обнаружили? По какой же?
На этот счет существует несколько гипотез. Но и о них чуть позже. А пока вернемся в Англию.
Первым проблему монополей стал всерьез исследовать английский физик Оливер Хевисайд. Ему удалось записать уравнения Максвелла в симметричном виде – с электрическими и магнитными зарядами. Однако его статья осталась почти не замеченной. Даже сегодня мало кто о ней слышал, хотя она на 40 лет опередила схожую с ней работу Дирака, с которой сегодня знакомы все физики. Сыграла, очевидно, свою роль репутация Хевисайда, как очень талантливого, но непонятного «кустаря-одиночки», чьи научные выводы, быть может, и верны, но выглядят не очень убедительно.
Хевисайд был действительно человек весьма оригинальный. Кажется невероятным, но, занимаясь расчетами, связанными с увеличением надежности телеграфных линий, с прокладкой кабеля через Атлантический океан, то есть имея дело с самыми передовыми по тому времени отраслями техники, Хевисайд впервые сел в автомобиль лишь в конце своей жизни (он умер в 1921 г.), да и то потому, что иначе нельзя было добраться до больницы. Гениальный чудак-отшельник, чьи открытия буквально озолотили телеграфные компании, Хевисайд жил и умер бедняком в одном из захолустных английских городков. Рассказывают, что, будучи избранным в члены Лондонского Королевского общества, самого почетного научного учреждения Великобритании, он не счел нужным хотя бы раз появиться на его заседаниях. Единственной его страстью была наука. Он не считал возможным тратить
время и силы на обоснование своих выводов, и научные журналы только и делали, что отвергали его статьи.
Полученные им результаты часто были необычайно остроумны, но пользоваться ими можно было с осторожностью, так как часто оставалось неясно, где они справедливы, а где нет.
Общественное мнение в науке значит очень много. В большинстве случаев оно защищает науку от скоропалительных гипотез и непроверенных фактов, но иногда и мешает признанию принципиально новых идей. К таким идеям принадлежало и то, о чем писал Хевисайд в статье про магнитные заряды.
Впрочем, не только Хевисайд размышлял о странной асимметрии электрических и магнитных зарядов. Пьер Кюри, открывший вместе со своей женой Марией Кюри-Склодовской радий, пытался экспериментально обнаружить магнитные заряды и их токи. Попытки его ни к чему не привели. В течение 20 лет австрийский ученый Эренхафт опубликовал в физических журналах более 50 статей, в которых доказывал, что в своих опытах он наблюдает магнитные заряды-монополи. Эренхафт наблюдал движение железных пылинок в магнитном поле. Когда пылинка освещалась сильным лучом света, ее движение изменялось так, как если бы свет выбивал с ее поверхности магнитный заряд. До сих пор непонятно, чем объясняется наблюдавшийся Эренхафтом эффект. А он не ошибался: его опыт был повторен другими физиками. Совсем недавно их еще раз повторили в Институте физики высоких энергий в Алма-Ате, и опять было замечено аномальное движение железных пылинок. Может быть, в эксперимент вкралась какая-то тонкая методическая погрешность? Во всяком случае опыты другого рода к открытию монополей не привели.
Конечно, может быть и так, что в каком-то одном, очень специфическом опыте монополь проявляется, а в других нет. Например, если опыт отличается большей точностью или в нем используются те свойства монополя, которые не сказываются в других экспериментах. К сожалению, опыты с железными пылинками не имеют преимущества ни в том, ни в другом отношении.
Но вернемся снова в Англию. Уж так получилось, что история монополя тесно связана с этой страной.
В 1931 г. к идее магнитных монополей пришел Поль Дирак, тогда двадцатидевятилетний теоретик из университета в Кембридже, получивший уже широкую известность благодаря выдвинутой им и блестяще подтвердившейся на опыте гипотезе об античастицах. Новая идея знаменитого физика сразу привлекла к себе внимание теоретиков и экспериментаторов. В отличие от Хевисайда Дирак был преувеличенно скрупулезен в обосновании своих выводов. Одно из его любимых выражений было такое: «Необходимо все хорошенько обдумать». Человек крайне немногословный, он старался выражать свою мысль как можно более лаконично и четко. Число статей и книг, написанных Дираком, невелико, но каждая из них стала классической.
Интересно, что по образованию Дирак был инженер, специалист по строительству гидроэлектростанций. После окончания института он не мог найти себе работу и вынужден был переквалифицироваться в физика-теоретика. По сравнению с профессией инженера это была не очень престижная специальность и денег сулила много меньше. Не знаю, потеряла ли что-нибудь от этого гидроэнергетика, но физика, несомненно, выиграла. Имя Дирака сегодня известно каждому, кто хотя бы немного соприкоснулся с квантовой физикой или просто читал о ней популярные статьи.
К идее монополей Дирак пришел, решая совсем другую задачу. Он старался понять, почему электрический заряд всегда принимает только дискретные значения, кратные заряду электрона. Масса, энергия, размеры макроскопических тел и микрочастиц могут быть любыми, никаких ограничений здесь нет, а вот их электрические заряды почему-то всегда пропорциональны заряду электрона и коэффициент пропорциональности – непременно либо целое число, либо нуль.
Этой закономерности, как мы уже знаем, не подчиняются кварки, заряд у них дробный – одна и две третьих заряда электрона. Но о кварках Дирак тогда еще ничего не знал. Если бы он выполнял свои расчеты в наше время, за минимальную порцию электричества ему пришлось бы принять не заряд электрона, а его треть – заряд кварка. Но дискретность зарядов остается экспериментальным фактом по-прежнему.
Размышляя о ее причинах, Дирак неожиданно обнаружил, что если в природе наряду с квантом электричества существует квант магнетизма, то в соответствии с теорией получается интересный парадокс: перемещая измерительный прибор по замкнутому контуру и выполняя измерения в одних и тех же точках, мы для некоторых величин при каждом повторном обходе будем получать новые значения, чего никогда не наблюдалось. Наоборот, во всех экспериментах наблюдаемые величины оказывались зависящими только от точек, в которых они измеряются, и ни от чего другого. Никакой «памяти о прошлом» у измеряемых величин нет. Казалось бы, этот парадокс – убедительное доказательство того, что никаких квантов магнетизма в природе быть не может.
И вот тут Дирак сделал важное открытие. Он заметил, что если величина электрического и магнитного зарядов такова, что их произведение равно целому или полуцелому числу, то все «неудобные» слагаемые в теоретических формулах, зависящие от числа обходов контура, обращаются в нуль. Получается, что гипотеза монополей не только делает теорию полностью симметричной по отношению к электричеству и магнетизму – на это обращал внимание еще Хевисайд,– но и приводит к квантованию электрического и магнитного зарядов. Иначе говоря, в природе возможны только такие заряды, которые удовлетворяют формуле Дирака.
По сравнению с теорией Хевисайда, которая в глазах современников выглядела необоснованной догадкой, теория Дирака была в высшей степени последовательна и сразу же получила признание. Однако ответить на вопрос, существуют в природе монополи или нет, она все равно не могла. Гипотеза монополей входила в нее как постулат. Верен он или нет, на это должен ответить эксперимент.
Вполне возможно, что никаких монополей в природе нет, ведь эти частицы потребовались Дираку лишь для того, чтобы объяснить дискретность зарядов, а она может иметь и другое происхождение. Не приходим ли мы здесь в противоречие со знаменитой бритвой Оккама, пытаясь объяснить «старую тайну при помощи новой загадки»? В средние века считалось позволительным строить длинные цепочки гипотез, где каждая последующая была нужна лишь для обоснования предыдущей. К этому прибегали особенно тогда, когда требовалось согласовать сложные явления окружающего мира с догмами священного писания. Английский философ и монах Уильям Оккам первым выдвинул принцип «не следует с помощью большего делать то, чего можно достигнуть меньшей ценой», и рекомендовал пользоваться им в качестве «методологической бритвы», срезающей излишние гипотезы и слабо обоснованные рассуждения. С тех пор бритва Оккама прочно вошла в методологию науки.
В современной физике этот принцип понимается несколько шире. Считается, что в мире может реализоваться любая возможность, которая не противоречит нашим основным представлениям о законах природы. Во всяком случае такую возможность следует во что бы то ни стало изучить, и если она существует лишь гипотетически, то это само по себе выглядит уже загадочным и, в свою очередь, нуждается в объяснении. Физика наших дней – наука математическая, и часто оказывается так, что в ее уравнениях бывают скрыты неожиданные возможности, приводящие к замечательным предсказаниям и к выдающимся открытиям. Примером такого предсказания и является гипотеза монополей Дирака.
Это та самая теоретическая возможность, которую невозможно упустить, мимо которой нельзя пройти. И неспроста она породила целую лавину исследований. Теоретики анализировали ее следствия, пытаясь обнаружить какие-либо противоречия, но так и не обнаружили, экспериментаторы в поисках монополей обшаривали все доступные им земные и космические материалы.
Естественно, монополь должен чем-то существенно отличаться от всех других частиц, иначе он попросту затеряется среди них и его можно прозевать. Среди его свойств должно быть что-то особенное, за что можно зацепиться при постановке эксперимента.
У монополя такое свойство есть. Из формул Дирака вытекает, что минимальная порция магнитного заряда по своей величине должна быть раз в 100 больше электрического заряда электрона, а раз так, то монополи должны сильно взаимодействовать с окружающим веществом. А это значит, что их можно сравнительно легко отделить от других, немагнитных частиц. К тому же, однажды родившись, монополь не может исчезнуть, так как магнитный заряд, как и электрический, сохраняется всегда. Исчезнуть монополь может, лишь столкнувшись с антимонополем, но вероятность такого события ничтожна. В этом отношении монополи подобны кваркам.
Один из способов обнаружить монополи – искать их следы в фотоэмульсии. У них должны быть очень «жирные» следы. Как раз такой необычно плотный след в стопке фотопластинок и пластиковых, пленок был обнаружен американскими физиками в опыте, о котором они рассказывали на международной конференции. На воздушных шарах они поднимали фотопластинки и пленки на большую высоту, почти в безвоздушное пространство, и там в продолжение нескольких суток все это облучалось в потоке космических лучей. Но скорее всего, это был след какого-то тяжелого иона – атома тяжелого элемента с ободранной оболочкой, который оставляет такой же плотный след в детектирующем материале. Исключить такую возможность американские физики не могли, и безжалостная бритва Оккама отсекла гипотезу обнаруженного ими монополя.
Монополи искали и среди частиц, родившихся на ускорителях. Такие опыты выполняются в хорошо контролируемых условиях, и точность здесь значительно выше, чем в космических лучах. Искали разными способами, используя самые совершенные и точные приборы, и ни намека на следы магнитных зарядов.
Пожалуй, наиболее точными были эксперименты, в которых раздробленные образцы различных материалов перемещались по оси соленоида. Если бы они содержали магнитные заряды, в катушке соленоида должен был бы возникнуть электрический ток (вспомним знакомый всем по школе знаменитый опыт Фарадея по превращению магнетизма в электричество!). Эксперимент проводили при очень низкой температуре, вблизи абсолютного нуля, когда металл соленоида становился сверхпроводящим и образовавшийся в нем ток должен был бы циркулировать практически неограниченное время. Многократно прогоняя исследуемый образец по оси соленоида, можно получить («накопить») значительный ток даже при очень малой концентрации монополей. Таким способом было обследовано множество минералов, выброшенное вулканами вещество земных недр, вода океанов, метеориты, много килограммов лунного грунта, даже контейнеры, в которых хранился этот грунт (может быть, в нем застряла часть монополей?). Если бы на 1028 атомов (несколько ведер) вещества приходилось всего только по одному монополю, их присутствие было бы замечено в этих экспериментах. Однако регистрирующие приборы молчали. Монополей не было ни в земном, ни в небесном веществе.
