Текст книги "Охота за кварками"
Автор книги: Юрий Чирков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 11 (всего у книги 19 страниц)
7
Странности странного мира
Отыскивание законов физики – это вроде детской игры в кубики, из которых нужно собрать целую картинку. У нас огромное множество кубиков, и с каждым днем их становится все больше. Многие валяются в стороне и как будто бы не подходят к остальным. Откуда мы знаем, что все они из одного набора? Откуда мы знаем, что вместе они должны составить цельную картинку? Полной уверенности нет, и это нас несколько беспокоит. Но то, что у многих кубиков есть нечто общее, вселяет надежду. На всех нарисовано голубое небо, все сделаны из дерева одного сорта…
Ричард Фейнман. Характер физических законов
В 1982 году два шведских физика из Королевского технологического института в Стокгольме – С. Фредриксон и М. Яндель – объявили об открытии ими новой формы вещества. Они назвали его «демоническим».
Уже привыкли к мысли о том, что протоны и нейтроны – каждый состоит из трех кварков. А вот в «демоническом» дейтроне (изотоп водорода, в ядре которого сошлись протон и нейтрон) шесть кварков соединены уже не в две группы по три, а в три по два!
Такая диковинная комбинация кварков неустойчива и может проявить себя многими способами. «Демоническую» материю исследователи разыскивают среди ядерных осколков, которые образуются в космических лучах и на ускорителях.
Открытие шведов симптоматично. Во-первых, речь идет о кварках, этих возмутителях спокойствия в ядерной физике.
Во-вторых, вновь – в который раз! – ломаются устоявшиеся представления.
В-третьих, открытие это сделано в тиши кабинета, среди книжных полок, набитых толстенными монографиями и солидными физическими журналами. Словом, открытие принадлежит физикам-теоретикам, людям, которых кое-кто считает среди ученых наиболее одаренными воображением и другими талантами.
И наконец, в-четвертых (и это для нас самое главное), очень показателен выбранный для вещества эпитет – «демоническое»!
Фантастический мир, который постепенно открывается ученым в глубинах атома, и будет основным «действующим лицом» этой главы.
Поди туда – не знаю куда
В одном шутливом перечне типовых экзаменационных вопросов, составленных якобы для аспирантов-физиков, есть и такая каверза: «Перечислите все до сих пор не открытые элементарные частицы и укажите причины, по которым они до сих пор не обнаружены». Это розыгрыш.
А вот серьезное и авторитетное высказывание, пожалуй, главного в нашей стране кварколога, крупного специалиста по физике высоких энергий Л. Окуня. Парадокс состоит в том, пишет он в одном из обзоров, что «мы гораздо лучше понимаем, зачем нужны те частицы, которые еще не открыты, чем многие из тех, в существовании которых мы удостоверились экспериментально».
Только непосвященным наука кажется ровной и прямой дорогой, путь по которой освещен фонарями Разума, Логики, Порядка.
В действительности же это сильно пересеченная местность, где двигаться приходится подчас в кромешной тьме, где каждую минуту можно провалиться в колдобину и сломать себе если не шею, то мозги. А точнее, разувериться в разумности и неопровержимости многих, казалось бы, незыблемых представлений и школьных истин, прописей здравого смысла. Впрочем, а как же может быть иначе? Ведь вся наука – езда в незнаемое.
Американский физик-теоретик К. Дарроу очень ехидно и точно определил. «Исследование – это поиски, когда вы не знаете, что найдете; а если вы знаете, значит, уже нашли, и вашу деятельность нельзя назвать исследовательской».
И все же среди других наук физику элементарных частиц (так же как и космологию) отличает одна уникальная особенность. В этой области мы, как правило, не знаем основных законов, управляющих изучаемыми явлениями.
Примеров случайных открытий в физике сколько угодно. Искали, скажем, теоретически предсказанный (лауреатом Нобелевской премии, первым среди жителей Страны восходящего солнца удостоенным этой высокой чести японцем X. Юкавой) пи-мезон (или пион), а открыли (1936) мю-мезон (или мюон), о котором никто и не помышлял.
Пион был открыт только в 1947 году. Он, как известно, нужен для объяснения природы ядерных сил. А вот зачем природе мюон, этот двойник электрона, отличающийся от него только массой (мюон в 207 раз тяжелее электрона), ученые (даже спустя почти полвека после открытия!) и сейчас плохо понимают.
Вообще развитие физики кажется логически последовательным только в ретроспективе. С «послесказаниями» дело обстоит неплохо – хуже с предсказаниями. Тут очередной шаг почти всегда неожидан и очень часто не воспринимается всерьез не только теми, кто смотрит со стороны, но даже теми, кто этот шаг делает.
Физики внимательно читают «Книгу природы», но не знают, где у нее начало, где конец. Листают случайные страницы, к тому же написанные на непонятном языке. Время от времени появляются новые действующие лица (кварки?). Чтобы понять их роль в повествовании, приходится напрягать воображение, логику, интуицию для хотя бы приблизительного понимания авторского замысла.
Изучая микромир, человек все глубже погружается в царство абстракций, которое не может не быть странным и таинственным. Не хватает понятий, ярлыков, да и просто слов для обозначения удивительных объектов и закономерностей.
Самолет плюс бабочка
Ученые, исследующие микромир, как и все люди, делятся на оптимистов и пессимистов. И отношение их к своему делу различно. Послушаем их разговор.
Пессимист. Наука похожа на сражение. Вспомним ее историю: какое это трагическое зрелище! Следы поражений здесь гораздо многочисленней, чем памятники побед. Оглядите разбросанные остовы покинутых систем, учений, где полным-полно теорий, устаревших, как примитивные каменные орудия. А сколько тут вдребезги разбитых истин, пользовавшихся некогда всеобщим признанием. Разве все ото не похоже на то, будто здесь пронесся шквал, ураган разрушительной войны, потрясший страну науки?
Оптимист. Война? Но природа вроде бы вовсе и не скрывает своих тайн. И не оказывает никакого противодействия, не сопротивляется, не хитрит. Она равнодушна, как сфинкс. Кроме того, успехи ученых совершенно необратимы. Контрнаступления не будет. Трепещущая у нас в руках прекрасная пленница ИСТИНА – навсегда останется нашим трофеем.
Пессимист. Пусть так, и все-таки это война, вот только вести ее приходится… вслепую! У нас нет карты территории, которую занимает «противник», поэтому такую большую роль играет догадка, внезапное озарение.
Артиллерия ученых бомбит вражеские эшелоны почти наобум. Ведь ориентирами служат вещи случайные – интуиция, вехи, расставленные научной школой, личными склонностями и пристрастиями ученого, научной модой и многими другими, в сущности, не очень серьезными причинами. И только огромное дымное облако взрыва показывает в случае успеха, что мы чудом нащупали и взорвали склад боеприпасов или военный завод.
Оптимист. Все не так безнадежно, как кажется.
У нас имеются надежные путеводные нити в наших странствиях по микромиру. Оценить увиденное там нам помогут ВЕЛИКИЕ ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ. Даже школьникам известна сила законов сохранения энергии, импульса, электрического заряда… Природа как бы подобна огромной шахматной доске с миллионом фигур. И нам вначале необходимо разобраться хотя бы в правилах этой мудрой игры. Так постепенно мы узнаем законы движения фигур на доске. К примеру, видим, что белопольный слон движется всегда только по белым квадратам. С каждой новой «позицией» мы все более убеждаемся в верности наблюдений. Так можно кое-что узнать об игре, не вдаваясь, однако, в доскональное ее изучение. Так удается выяснить некие инварианты, неизменные качества природы…
Да, в последних словах оптимиста есть большой смысл. В мире элементарных частиц, в этой СТРАНЕ НЕВЕДОМОГО, физики руководствуются соображениями, которые непосвященным, не привычным к подобным манипуляциям могут показаться довольно странными.
Представьте себе громадные весы, на одной чаше которых лошадь и мышь, на другой – корова и собака.
И некоего физика, утверждающего, что лошадь + мышь могут превратиться в корову + собаку, так как, дескать, ни один из восьми законов сохранения веса, количества живности, числа голов, глаз, хвостов, лап (проверьте, пожалуйста, сами), числа млекопитающих и свойств волосатости – не нарушен.
Тот же филин в то же время не примет, однако, такое «равенство»: самолет плюс бабочка равняется вертолету плюс альбатросу. И заметит при этом: хотя сумма веса, количество объектов, число моторов остаются неизменными, но суммарное число крыльев (вертолет!) оказывается разным.
Вот они, законы сохранения, в действии. Но чтобы показать незыблемость и неукоснительность выполнения этих законов, обратимся к конкретному примеру из недавней истории физики высоких энергий.
Частицы со странностью
Открытие было сделано в 1947 году. Регистрируя космические лучи в камере Вильсона, ученые обнаружили следы подозрительных частиц.
Затем два года поиски этих частиц шли безуспешно.
Пришельцы из космоса больше не появлялись. И только после того, как камеру подняли высоко в горы, где интенсивность космических лучей заведомо больше, новые частицы стали регистрировать уже почти ежедневно.
Так (позже перешли к исследованиям на ускорителях) были открыты элементарные частицы нового класса – нейтральный лямбда (Л) – гиперон, К-мезоны, антисигма-минус-гиперон (2~) и другие.
Семейка эта надолго приковала внимание исследователей своими необычными свойствами. Прежде всего подозрительным было время их жизни – 10 -10секунды.
Неспециалист, узнав про этот факт, может подумать: «Да, действительно, я не могу представить себе, каким образом какой-либо объект может разваливаться так быстро».
Однако загадка была совсем в другом. Не в том, что новые частицы распадались так быстро, а, наоборот, почему это они живут в миллионы миллионов раз больше, чем известные до того частицы той же «весовой категории» (близкие по массе и свойствам).
Для физиков это было так же неожиданно, как если бы они встретили на улице человека, прожившего 100 тысяч лет, или, скажем, слона с крылышками и на курьих ножках.
Другое интригующее свойство новых частиц заключалось в том, что они появлялись только парами (иногда, правда, и в большем количестве). Но никогда не наблюдались поодиночке или в паре с нормальными частицами.
Чувствовалось: эти «новенькие» обладали каким-то особым, дотоле неведомым, свойством. Действовал какой-то новый закон сохранения.
Из обычных коровы и льва (вспомним манипуляции физика в прошлой главке) можно смастерить двуногого льва и шестиногую корову, но никак нельзя их обоих сделать двуногими или двуглавыми – не позволяет закон «сохранения частей тела».
Вот и у новых частиц было нечто – обозначим это «нечто» буквой S, – что обязано было сохраняться.
Рассуждения тут таковы. У исходных обычных частиц S = 0, а у родившейся в результате ядерных метаморфоз пары необычных частиц значения S уже отличаются от нуля: они равны по абсолютной величине, но отличаются знаками. Скажем, у одной частицы S = +1, у другой S = -1, давая в сумме (закон сохранения частей тела!) тот же ноль.
Так к труднопонимаемым терминам – барионный заряд, спины и т. д. добавился еще один. И человек, сформулировав закон сохранения вот этой странности, сделал еще один шаг в область, куда обыденному, привычному, вход настрого запрещен.
С легкой руки М. Гелл-Мана новое свойство элементарных частиц стали называть «странностью» (Strange, здесь и истоки обозначения S). Так слово «странность» перестало обозначать только удивление парадоксами микромира, превратившись в узаконенное физическое понятие. Странность как бы материализовалась!
Открытие это, естественно, нашло отражение и в концепции кварков. Один из знаменитой тройки – А-кварк – пришлось наделить еще и странностью (два других кварка, р и п, физики считают не странными). Поэтому, к примеру, положительно заряженный К-мезон (частица странная) должна состоять из р-кварка и А-антикварка – носителя странности.
И еще одно обстоятельство делает странность поистине странной. Быстро выяснилось, что в отличие от других строгих законов сохранения странность иногда сохраняется, иногда нет.
При сильных (ядерные силы) или электромагнитных взаимодействиях суммарная странность всегда сохраняется. Однако процессы со слабым взаимодействием идут (сюрприз для физиков) с нарушением странности.
Было о чем задуматься ученым мудрецам!
…И посрамил черта
В мифах древних греков говорится о кентавре – получеловеке-полулошади. Таким же кентавром среди элементарных частиц выглядит и кварк. А ведь кварки, как надеялись физики, должны были представлять собой самые простейшие частицы!
Кентавр человеку кажется лошадью, а лошади, должно быть, – человеком. На самом деле он похож (хоть его никто и не видел) и на лошадь, и на человека. Но в любом случае можно сказать, каков он. Эта определенность, как мы убедимся далее, отличает человеческие фантазии от фантазий природы.
Писатели, поэты, просто мечтатели не раз пытались в своих грезах выйти за пределы немного, создать образы немыслимого И на первый взгляд им это удавалось. Вот образчики.
Перо англичанина Д. Биссета сотворило крококота.
(В повести «Забытый день рождения» писатель пишет: «Одна половина у мистера Крококота была котом, другая – крокодилом. Он был единственным в своем роде крококотом и жил очень уединенно в небольшой пещере посредине Африки и ни с кем никогда не виделся».) Это существо, которому славно жить, ибо ему всегда есть кому сказать «спокойной ночи»…
Другой пример – нагромождение несуразиц французского поэта-символиста Ж. Кокто в произведении «Моя неверная подруга»: «…Оставляешь лицо, хоть ты и закрыла его на ключ, как комнату, и здесь от тебя ничего не осталось, лишь кудрявый череп твой. Поцелую тебя, обниму колени, но ты воспаришь, покинешь себя, как привидение поднимается над крышей».
Сколько ни напрягали свое воображение служители муз, на наш взгляд, цели они не достигли. Созданное ими напоминает старое бабушкино одеяло, сметанное из множества пестрых, уже знакомых ее внукам лоскутков.
В этих писательских «кентаврах» сгруппированы, скомбинированы фрагменты легко узнаваемые, встречаемые нами в повседневности в той или иной мере на каждом шагу. Нового качества не получилось! Но то, что было не под силу человеку, с тем шутя справилась непревзойденная выдумщица – природа.
Электрон шарику представляется волной, волне – шариком. Однако на деле он и не волна, и не частица: он электрон! Микросущество, только кажущееся простым.
Электрон, как доказывает физика, представляет собой логический абсурд. Его парадоксы вскрыты квантовой механикой.
Законы квантовой механики необычны. Самый, пожалуй, наглядный пример это исчезновение в микромире понятия «траектория».
Бегущий мимо нас кентавр удивил бы нас, но мы могли бы точно (следы!) указать путь, которым он следовал. С электроном это принципиально сделать нельзя.
По И. Ньютону (классические представления), мир похож на четко вычерченную сеть железных дорог: по ним строго по расписанию мчатся поезда-частицы.
В квантовой же механике эта картина размазывается, расплывается, словно мы рассматриваем ее в плохо сфокусированный бинокль. И частицу теперь можно обнаружить в любой точке любой траектории, соединяющей начало и конец ее пути. Будто бы частица движется сразу по всем траекториям!
Тут человек, будь он электроном, мог бы войти в зал одновременно через две двери и столкнуться лбом с самим собой!
Старые взгляды рушились. Молодежь шутила:. «Даже сама природа не знает пути, по которому полетит электрон…» «Что ж, по четным дням недели будем пользоваться уравнениями Ньютона, а по нечетным – доказывать, что эти уравнения не верны…»
Старшее же поколение физиков восприняло новации трагически. Нидерландский физик X. Лоренц (1853–1928), создатель электронной теории, автор классической монографии «Теория электронов» (1909 год) («В вачале нашего столетия физики-теоретики всего мира с полным правом смотрели на X. Лоренца как на своего наставника», – писали о нем в 1953 году), в 1924 году с горечью писал: «Где же истина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения? Способны ли мы ьообще узнать истину и имеет ли смысл заниматься наукой? Я потерял уверенность, что моя научная работа вела к объективной истине, и я не знаю, зачем жил; жалею только, что не умер пять лет назад, когда все мне еще представлялось ясным».
Да, ломка представлений была капитальной. В старой физике скорости и координаты было достаточно, чтобы полностью определить движение макроскопического тела, летящего камня, например. А вот пути электрона или другой какой-нибудь микрочастицы воистину оказывались неисповедимы! Ибо согласно формулам квантовой механики можно указать (и вычислить) только вероятности тою, что электрон находится в той или иной точке пространства. (А значит, необходима информация о бесконечном числе величин, а не только о координате и скорости.)
Но раз так, то получается, что электрон всюду и нигде! И вот это представить себе уже довольно трудно.
А может, трудность это мнимая? И надо просто предоставить вещам быть такими, каковы они есть?
Обсуждая однажды парадоксы квантовой механики, член-корреспондент АН СССР физик-теоретик Е. Фейнберг напомнил одну английскую шутку, как черт поймал трех путников и согласился отпустить их, только если они зададут ему невыполнимую задачу. Один путник – жадина – наивно попросил сделать растущее дерево золотым, другой – рационалист – заставить реку течь обратно.
Черт шутя справился с этим и забрал обе души. Но третий путник свистнул, сказав: «Пришей к этому пуговицу»! – и посрамил черта.
Как нельзя пришить пуговицу к звуку свиста, так безнадежно и представлять себе траекторию электрона, коль он к тому же еще и волна!
Играет ли бог в кости?
Известен призыв (принадлежит Н. Бору) создавать теории «как можно более безумные». Считается, что только на этом пути удастся осмыслить диковины, которые ученые находят во вновь открываемых ими «странах» природы. Однако на дело не о «безумных» идеях скорее идет тут речь, а о том, чтобы по возможности освободить себя от всех биологических и психологических пут и тенет, столь мешающих нам осваивать новое знание.
Трудность та, что приходится ломать привычные нам (понятие траектории электрона!) представления о пространстве, времени и материи, и это вызывает в нас какой-то внутренний протест и сопротивление.
Кварки и другие чудища микромира настойчиво внушают нам: при входе в микромир надо непременно сбросить «галоши» антропоморфизма, сиять «очки» так называемого здравого смысла и сдернуть «плащ» шелухи человеческих мерок и привычек. Все это дается человеку с большим трудом, шокирует, травмирует… В самом деле, человек, словно змея, должен менять, непрерывно сбрасывать «кожу» своих представлений.
Ну, заметит читатель, то, что трудно нам, должно быть, легко дается ученым? Они-то, видно, словно рыба в воде, прекрасно чувствуют себя в электронных и прочих волнах квантовой механики? Увы, это не совсем так.
Вот что пишет Р. Фейнман: «Было время, когда газеты писали, что теорию относительности понимают только двенадцать человек. Мне лично не верится, что это правда. Возможно, было время, когда ее понимал всего один человек (имеется в виду ее автор. – Ю. Ч.), так как только он разобрался в том, что происходит, и не написал еще об этом статьи. После же того как ученые прочли эту статью, многие так или иначе поняли теорию относительности, и, я думаю, их было больше двенадцати.
Но, мне кажется, я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает…»
Преувеличение? Желание поразить читателя? Нет, ведь даже А. Эйнштейн также не понимал квантовой механики. Он никак не мог согласиться со статистическим характером микроявлений. «Господь-бог не может играть с миром в кости», – упрямо настаивал он.
Ученый был непоколебимо уверен в рациональном устройстве мира. Его вдохновляли порядок и логика, якобы царящие в нем. Хаоса в природе он не признавал.
Однако с появлением квантовой механики все эти дорогие его сердцу принципы были поставлены под сомнение.
Часть ученых пришла к выводу, что в микромире нет того образцового порядка, который мы привыкли встречать в макромире. Что здесь всем правит Его Величество Случай.
«Заблуждение, – возражал на это А. Эйнштейн, – вероятности необходимы только для того, чтобы прикрыть наше невежество… законы природы причинны. Бог не играет в кости…»
В октябре 1927 года в Брюсселе собрался V Сольвеевский конгресс. Съехались самые видные физики планеты.
Прибыл и автор теории относительности, и творцы только что родившейся квантовой механики ждали, что он благословит новые идеи. Вышло же все по-иному.
В первый же день за завтраком в гостинице, еще до начала официальной работы конгресса, он предложил своим коллегам некий воображаемый эксперимент (обычный прием теоретиков), который, по его мнению, показывал противоречивость квантовой механики.
«Это был трагический момент, – вспоминал позднее Н. Бор. – Ведь если бы Эйнштейн оказался прав, то все рухнуло бы!..»
Весь день на заседаниях, в перерывах, даже во время обеда физики обсуждали эйнштейновский эксперимент.
«К вечеру Бор в основном закончил анализ, – пишет другой очевидец этих событий, В. Гейзенберг, – и за ужином изложил его Эйнштейну. Откровенно говоря, Эйнштейн не мог что-либо возразить против этого анализа».
Еще много раз пытался великий ученый опровергнуть основные постулаты новой науки, однако квантовая механика устояла.
В 1949 году, вскоре после своего семидесятилетия, А. Эйнштейн с горечью писал своему старинному другу М. Соловину: «Вы думаете, что я с чувством полного удовлетворения смотрю на дело всей своей жизни. Вблизи же все выглядит иначе. Нет ни одного понятия, относительно которого я был бы уверен, что оно останется незыблемым.
Я даже не уверен, что нахожусь на правильном пути вообще. Современники же видят во мне еретика и реакционера, который, так сказать, пережил самого себя».
Так до конца своих дней он и не примирился с квантовой механикой, по-прежнему считая ее вопросом научной моды и даже недомыслием ее адептов.
