Текст книги "Охота за кварками"

Автор книги: Юрий Чирков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 19 страниц)

Юрий Георгиевич Чирков
Охота за кварками

Введение

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

Альберт Вейник

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1. Элементарная неэлементарность

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

Ян Амос Коменский. Лабиринт мира и рай сердца

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

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

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

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

Демокрит

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Мир Аристотеля до отказа заполнен, набит веществом. В нем нет ни одной даже самой ничтожной щелочки.

Поэтому-то у Аристотеля нет ни пустоты-вакуума, ни мельчайших неделимых частиц-атомов, которые бесконечно падают, снуют, мчатся в этой пустоте.

Кто же прав? Демокрит? Аристотель? Этот спор, начатый великими греками, проходит сквозь всю двухтысячелетнюю историю естествознания. Не закончен он (мы убедимся в этом позднее, когда разговор пойдет о свойствах вакуума) и по сей день. И непохоже, чтобы он был разрешен в ближайшем будущем.

Диспут в Париже

Учению Аристотеля ы повезло, и нет. Его подняла на щит, сохранила для потомков, пригладила, отшлифовала, канонизировала церковь. Но она же и выхолостила это учение, убила в Аристотеле все живое и ценное, увековечив мертвое, догматическое. В. И. Ленин в одной из своих философских работ писал, что из Аристотеля в дальнейшем «сделали мертвую схоластику, выбросив все поиски, колебания, приемы постановки вопросов».

Имя Аристотеля, как и святое распятие, душило все новое, прогрессивное, живое. Наука смогла возродиться после тысячелетнего застоя лишь в XV–XVI веках в тяжелой борьбе со средневековой схоластикой церкви, поддержанной авторитетом Аристотеля.

Возродить взгляды Демокрита, дать им достойное место в науке пытался яркий представитель науки Возрождения английский философ Ф. Бэкон (1561–1626). Барон Веруламский, виконт Сент-Олбанский, лорд – хранитель печати, лорд-канцлер, занимавший важные посты, Ф. Бэкон основной целью своей жизни ставил работу над планом «Великого восстановления наук», освобождения их от схоластических пут церковной догматики.

В многочисленных трудах (главный из них – «Новый органон») Ф. Бэкон выковывал истинно научный метод исследований. Эмпириков, ограничивающихся только опытом, он сравнивал с муравьями, суетливо переносящими тяжести; догматиков, строящих системы силой одного только разума, уподоблял паукам, ткущим из себя паутину; настоящий ученый, считал Ф. Бэкон, должен быть подобен пчеле, собирающей сок из растений (эксперимент) и затем перерабатывающей его в мед своими силами (интеллект).

(Сейчас подобные взгляды могут показаться тривиальными и наивными. Но не следует забывать, что высказывались они в темные годы средневековой схоластики, когда в публичных диспутах в Сорбонне решался, скажем, вопрос о том, сколько же чертей может уместиться на острие иглы!)

Анализируя причины заблуждения разума, Ф. Бэкон указывал на четыре ложные идеи-«призрака», или «идола»: «призрак рода» – очеловечивание природы; «призрак пещеры» – ошибки, связанные с индивидуальными особенностями и недостатками человека-исследователя; «призрак рынка» – некритичное отношение к широко распространенным в обществе мнениям; «призрак театра» слепая вера в авторитеты и традиционные догматические системы.

Понятно, что Ф. Бэкон пытался всячески восстановить, оживить все здоровые идеи прошлого, все ценные мнения древних мыслителей, придавленные авторитетом оскопленного церковью Аристотеля. Поэтому он открыто противопоставляет Демокрита «говорунам» Платону и Аристотелю и ставит своей задачей воскресить атомистику Демокрита, преданную незаслуженному забвению.

В «Новом органоне» Ф. Бэкон пишет: «Варвары обрушились на Римскую империю, как наводнение, причем корабль науки был разбит в щепы. Философия Аристотеля и Платона, подобно обломкам из более легкого и пустого материала, была волнами времени сохранена до нас… Но что касается более древних из греческих ученых – Эмпедокла, Анаксагора, Левкиппа, Демокрита… то их произведения… были уничтожены в потоке времени. Ведь время как река: более легкое и пустое внутри оно донесло до нашего времени, более тяжелое, веское погрузило на дно».

Увы! До полной реабилитации атомистики Демокрита должны были пройти еще долгие годы. Церковь зорко следила за инакомыслящими и жестоко карала их. Свидетельством этому служат многие факты истории. Один из них приводит в своих работах о Демокрите советский историк С. Лурье.

В августе (24 и 25) 1624 года французскими учеными в Париже был назначен публичный диспут с целью опровергнуть Аристотеля. Четырнадцатый тезис программы провозглашал атомистическую концепцию. В программе говорилось также, что Аристотель по невежеству или, что еще вероятнее, по недобросовестности высмеял учение, по которому материя состоит из атомов… Руководители диспута обещали защищать этот тезис с крайней решимостью и неустрашимостью. Слово «неустрашимость» не было пустой риторикой или научным кокетством: в момент открытия диспута один из его устроителей, де Клав, был арестован, а другому, Виллону, удалось скрыться. Карающая десница действовала.

Парламент постановил: запретить диспут; торжественно и публично изорвать объявленные тезисы; всех зачинщиков этого дела выслать в 24 часа из Парижа с запрещением въезда в Парижский округ; запретить преподавание изложенных в тезисах взглядов, содержащих полемику со старыми и общепризнанными авторитетами, во всех французских университетах. Конец указа был крайне суров: всякому, кто устнс или печатно осмелился бы выступить с такой полемикой, грозила смертная казнь.

Так, авторитет Аристотеля (а ведь его можно по праву считать одним из отцов науки!) был приравнен к авторитету Евангелия!

Дальтон

Истинное возрождение атомистики началось в начале XIX века. В 1802 году английский физик (изучая газовые смеси, он открыл закон парциального давления газов, 1801 год) и химик Д. Дальтон (1766–1844) нашел, что основные факты химии получили бы лучшее объяснение, если считать, что каждый химический элемент можно представить себе в виде мельчайших, далее неделимых частиц. Каждому элементу, полагал Д. Дальтон, соответствует свой тип частиц, а их всевозможные комбинации и образуют все изучаемые химией вещества.

Повторяя Демокрита, Д. Дальтон назвал эти частицы атомами.

Многие факты научной карьеры и научных достижений Д. Дальтона, несомненно, обусловлены особенностями его биографии и его личными свойствами.

Сын бедного ткача, он вынужден был ограничиться самообразованием, хотя и стал в 1822 году членом Лондонского королевского общества, а средства к жизни находил, давая частные уроки по химии и математике. Все это не могло не способствовать самостоятельности и независимости научных суждений Д. Дальтона.

Играло здесь, видно, роль и то, что был он из семьи квакеров. Эта религиозная секта трясунов (английское слово quakers буквально означает «трясущиеся») отвергала официальную церковь и ее каноны. Челсвек, считали къакеры, без посторонней помощи и посредников сам может вступить в непосредственный контакт с всевышним.

Особенностью Д. Дальтона было еще и то, что он первым описал цветовую слепоту (дальтонизм, дефект зрения у людей, заключающийся ь смешении красных цветов с зелеными и синих – с фиолетовыми и пурпурными). И одновременно сам же страдал этим недостатком.

Злые языки утверждали по этому поводу, что цветовая слепота Д. Дальтона очень мешала ему при проведении химических опытов: ведь химик должен быть способен следить за цветовыми изменениями в ходе химических реакций. Злословили: это-де и является одной из причин, почему Д. Дальтон был довольно неуклюжим и неряшливым экспериментатором.

Однако оставим эти замечания на совести дотошных биографов. Вопреки своим недостаткам – а может быть, благодаря им – этот учитель из Манчестера в 1808 году стал автором первого тома капитальнейшего труда «Новая система химической философии» (третий том вышел в 1827 году), где был всесторонне обоснован атомизм химических превращений.

В этом труде Д. Дальтон ввел и свою систему химических обозначений.

Химики древнего мира и средних веков для обозначения веществ использовали в основном символы. Так, когда-то семь главных металлов изображали астрономическими знаками семи небесных светил: Солнце (золото), Луна (серебро), Юпитер (олово) и так далее.

Д. Дальтон предложил обозначать атомы химических элементов кружками, внутри которых помещались точки, черточки, начальные буквы английских названий металлов. К примеру, водород был обозначен как кружок с точкой внутри – 0, кислород – пустой кружок О азот – (+, углерод – ф… Эта нотация в дальнейшем не прижилась, позднее атомы элементов стали обозначать начальными буквами их латинских и греческих названий.

Атомистические взгляды позволили Д. Дальтону рассчитать атомные веса различных элементов (за единицу он взял легчайший атом водорода). Однако ученый при этом ошибочно руководствовался «законом наибольшей простоты»: атомы элементов, полагал Д. Дальтон, должны вступать в соединения между собой в простейших отношениях. Поэтому известная школьникам химическая формула молекулы воды Н ₂О по Д. Дальтону имела вид О Т – Молекула аммиака – QO (вместо верной формулы КН ₃). (Хотя Д. Дальтон уже умел отличить окись углерода СО, он обозначал ее Оф, от углекислого газа СО ₂-ООФ).

Д. Дальтон вернул атомистике ее заслуженное место в науке. Взгляды ученого, хотя и не сразу, нашли понимание и признание. Немудрено, что сам он был атомистом до мозга костей (демокритнее Демокрита!). Для него, по свидетельству одного из биографов, атомы – ученый представлял их в виде упругих шариков – были такой же реальностью, как если бы он видел их наяву собственными глазами, трогал руками. «В своем воображении, – пишет биограф, – он видел в воздухе атомы кислорода, азота и водяного пара. Он рисовал их на бумаге…»

Неделимое – делимо!

Атомистика торжествовала. Многообразный мир оказался сработанным примерно из сотни типовых блоков – атомов, или элементов. Однако в самом конце прошлого века, как бы издеваясь над успехами атомной теории, была открыта еще одна частица. Для нее в таблице Менделеева отдельного места уже не нашлось!

Приблизительно к 70-м годам прошлого века среди физиков все более крепло убеждение в том, что точно так же как все вещества составлены из крошек атомов, так и поток электричества должен быть сформирован из очень малых дискретных порций – элементарных зарядов.

К открытию электрона – а именно о нем пойдет дальше речь – причастны многие выдающиеся ученые, но последнюю точку в этом деле поставил английский физик, член Лондонского королевского общества Дж. Томсон (1856–1940).

Объектом изучения для Дж. Томсона стали катодные лучи. Они возникают при прохождении электрического разряда через сильно разреженные газы. Какова природа лучей? Ученые долго бились над этим. Много лет исследованию этого явления посвятил и английский физик У. Крукс (1832–1919). Он обнаружил: эти лучи искривляют свой путь в магнитном поле; их отталкивают отрицательно заряженные тела; распространение этих лучей прямолинейно; если на пути лучей поставить какой-либо объект, то за ним довольно отчетливо наблюдается тень…

Как же правильно истолковать все эти факты?

После долгих раздумий У. Крукс в конце концов уверился: катодные лучи вовсе не излучение, как полагало тогда большинство физиков, они представляют собой летящие в одном направлении с огромными скоростями отрицательно заряженные частицы.

Укрепившись в этой истине, ученый стал убеждать других. Он начал говорить об особом состоянии материи.

Об ультратазе, о чем-то, что напоминает разреженный и неосязаемый газ, если сравнивать его с жидкостью.

Эти заявления были восприняты научной общественностью с понятным холодком и сдержанностью. Кое-кто был настроен даже враждебно.

По все это не охладило пыла У. Крукса. В 1874 году он прочел в Шеффилде доклад под названием «Лучистая материя, или Четвертое состояние вещества». Ученый настаивал: катодные лучи – это «осколки» атомов, и атомы нельзя считать «неделимыми» так буквально, как это понимали Демокрит и Д. Дальтон.

Ересь? Подрыв основ? Многие так это и восприняли.

Были даже и такие оппоненты, что просто считали У. Крукса сумасшедшим. Кстати, как правило, склонные к материализму физики имели весомые основания относиться к взглядам У. Крукса с подозрением: ведь он был убежденным и открытым сторонником… спиритизма. Известно, что критика спиритических «исследований» У. Крукса была дана Ф. Энгельсом в статье «Естествознание в мире духов».

Но удивительно, в вопросе о природе катодных лучей и об атомизме вообще Крукс-спирит оказался прав. Его правоту подтвердила серия классических работ, выполненных Дж. Томсоном и его сотрудниками. Эти исследования и привели к открытию электрона.

Дж. Томсон заставил катодные лучи падать на поставленную вертикально к ним фотографическую пластинку.

Затем он включил электрическое и магнитное поля. Они искривили траекторию лучей (одно изгибало лучи в горизонтальном, другое – в вертикальном направлениях). Эти смещения следов на фотопластике определялись скоростью движений лучей v и отношением их заряда к массе – е, т. Измерив горизонтальные и вертикальные смещения следа, Дж. Томсон смог написать два уравнения с двумя неизвестными v и v, Оставалось лишь решить эту систему, что Дж. Томсон и сделал.

Результат этих почти школьных упражнений оказался революционным для физики. Получилось (более поздние опыты), что масса у электронов (корпускул, составляющих катодные лучи) в 1837 раз меньше, чем масса самого легкого и мелкого из атомов – атома водорода.

Дробление материи зашло ниже атомных размеров!

Год 1897-й считается годом открытия электрона – первой элементарной частицы – и началом совершенно новой эры в атомизме. Это выдающееся достижение Дж. Томсона было увенчано Нобелевской премией по физике (1906 год). У себя на родине ученый был удостоен высших почестей: в 1908 году Дж. Томсон был торжественно возведен в рыцарское достоинство – получил титул knight. И посмертно ему была оказана высокая честь: он был похоронен в Вестминстерском аббатстве рядом с останками И. Ньютона.

Начало XX века оказалось для физики трудным временем. Наконец-то были получены реальные доказательства правоты Демокрита и Д. Дальтона: атомы перестали быть фикцией. Но одновременно одним махом физики расправились и с идеей неделимости атомов, добровольно поставив крест на старых, довольно удобных представлениях.