Текст книги "Охота за кварками"

Автор книги: Юрий Чирков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 19 страниц)

Игра в матрешки

Л. Эйлер, знаменитый математик (родился и учился в Швейцарии, но 31 год проработал в Петербургской академии наук, хорошо знал русский язык, что облегчало ему возможность бесед с М. Ломоносовым, которого Л. Эйлер очень ценил; прах Л. Эйлера находится в Ленинградском некрополе), в «Письме к немецкой принцессе» (племяннице Фридриха II), где он ясно и доступно изложил проблемы современного ему естествознания, в частности, писал: «Когда в собраниях разговаривают о филозофических материях, то по большей части о таких, кои повод дали к великим распрям между филозофами.

Делимость тел есть такая статья, и мнения ученых об оной суть между собой различны. Иные утверждают, что тела делиться могут бесконечно, так, что никогда нельзя дойти до столь малых частиц, которых бы далее делить невозможно. Другие, напротив того, утверждают, что сие деление простирается только до некоторого предела и что, наконец, должно дойти до столь малых частиц, что, не имея никакой величины, далее делимы быть не могут. Сии последние частицы, тела составляющие, называются монадами…»

В этих словах изложена проблема, над которой философы задумывались еще тысячи лет назад. Что будет, если дробить вещество все мельче и мельче?

Как мы уже говорили, Демокрит учил: все кончается атомами. Их нельзя дальше мельчить не только физически, но и математически.

Иную позицию занял Аристотель. По его мнению, субстанции должны допускать бесконечное, неограниченное деление.

Итак, два противоположных взгляда:

1. Иерархия форм материи безгранична.

2. Исследование этих форм заканчивается открытием первоматерии.

Рассуждения о делимости материи (Аристотель против Демокрита) в чем-то сродни известной игре с куклой-матрешкой. Многие авторы очень любят этот образ, часто им пользуются. Ведь матрешечный «атомизм» очень нагляден, понятен каждому и, что, может быть, главное, вроде бы неоспорим. Атомизм иного, нематрешечного рода, кажется, вообразить совершенно невозможно.

Итак, матрешка. Разнимаешь ее – внутри оказывается точное подобие, только поменьше ростом, а там еще более маленькая куколка…

Игра в матрешки – занятие крайне поучительное, но здесь, увы, всегда имеется последняя куколка. А в природе? Вот тут все уже не столь очевидно.

Для философа итог упражнений с матрешками не очень приятен. Конечный вывод горек и неутешителен: мир вроде бы оказывается непознаваемым.

В самом деле, свойства первоматерии (последняя из «матрешек») должны быть ей предписаны. По определению, бессмысленно обсуждать здесь вопросы «отчего и почему». Tут начинается область иррационального, божественного.

«Мне представляется, – писал И. Ньютон (в последние годы он, как известно, занимался богословием, но точный ум быстро привел его к противоречию с догматами церкви, известно, что перед смертью И. Ньютон отказался о; причастия), – что бог с самого начала сотворил вещество в виде твердых, непроницаемых, подвижных частиц и что этим частицам он придал такие размеры, и такую форму, и такие другие свойства, и создал их в таких относительных количествах, как ему нужно было для этой цели, для которой он их сотворил…»

Кроме того, конечность числа «матрешек» в природе ведет к исчерпанию всех свойств мира. Как же тогда быть с провозглашенной диалектическим материализмом бесконечностью процесса познания?

Но не приносит удовлетворения и бесконечная череда матрешек. Ведь с формально математической точки зрения здесь отношение объема познанного к объему еще не разведанного всегда будет равно нулю! Мир оказывается принципиально непознаваемым.

Таким образом, логика философии матрешек завела нас в тупик. Трудно вообразить, что материя делима снова и снова и так до бесконечности. Еще труднее свыкнуться с другой крайностью – делимость вещества на каком-то этапе с необходимостью должна прерваться.

Дальше в лес – больше дров

Пока философы спорили, физики работали – дробили материю на все более мелкие части. Вещество – на молекулы, молекулы – на атомы, атомы – на ядра и электроны, ядра – на протоны, нейтроны и другие элементарные частицы, которых набралось уже столько, что их стало даже трудно перечислить. Поэтому большую часть их собрали в груду и повесили на ней табличку: «Адроны».

И адроны стали дробить: сейчас физики усиленно пытаются разложить их на еще более элементарные кварки.

Правда, никто пока не может сказать, существуют ли кварки на самом деле, но ученым очень хочется, чтобы они существовали. И хотя ныне кварки единодушно признаются «истинными» кирпичиками, из которых сложено мироздание, но можно не сомневаться: если их когданибудь «поймают», то тут же попытаются разложить на…

Казалось бы, философия матрешек торжествует, веренице куколок не видно конца. Однако это лишь самое первое и, добавим, обманчивое впечатление. На деле же процесс дальнейшего «кваркования» движется со скрипом, буксует и вязнет. Природа вовсе не похожа на луковицу, составленную из однообразно повторяющихся оболочек.

Бесконечная шеренга выстроенных в ряд матрешек – эта картина соответствует тому, что немецкий философ Г. Гегель (1770–1831) некогда назвал «дурной бесконечностью»: тут в каждой следующей кукле содержится другая, отличающаяся от предыдущей лишь размерами.

Так вот, в природе этого нет. В ней «дурная бесконечность» словно бы подправлена, искажена.

Сходя вниз по ступенькам микромира, мы встречаемся с такой характерной ситуацией: в области, на два-три порядка (в 100-1000 раз) меньшей, перед нами раскрывается, как правило, новый мир физических объектов и новых, до сих пор неизвестных нам закономерностей. Да, по размерам вроде бы новая матрешка. Но приглядитесь внимательней: узор росписи, форма, цвета – все стало совсем иным!

В областях с размерами 10 ^-5-10 ^-7сантиметра исследователи проникли в мир кристаллов, атомов – возникла кинетическая теория материи.

Затем, перешагнув еще один-два порядка, человек открыл для себя царство атомных явлений, управляемых квантовой теорией. (Мы помним: эта девица со странностями, капризами!)

На расстояниях 10 ^-11сантиметра ученых вновь подстерегает неожиданность: при этих энергиях стало возможным рождение светом электронно-позитронных пар, энергия на глазах превращалась в вещество! Эти явления уже описываются релятивистской квантовой теорией.

В пределах 10 ^-12сантиметра (характерный размер ядер) возникла физика атомного ядра А с расстояний 10 ^-13-10 ^-14сантиметра началась физика адронов – раскрылся мир так называемых «странных частиц».

Сейчас физики подбираются к масштабам порядка 10 ^-17сантиметра. Тут должны показаться крепостные валы нового «государства» – Королевства Слабых Взаимодействий. Со своеобразными обычаями и порядками.

Сравнивать все эти метаморфозы материи, этот непрерывный переход количества в качество, эту цепь совершенно но похожих друг на друга областей со скучным строем матрешек уже довольно трудно. Но не в этом только дело. Оказывается, можно высказать и еще более глубокие антиматрешечные соображения.

Кит на воде, вода на ките

Строить большое из малого, тяжелое из легкого – вот правило, которым всегда руководствовались ученые и которое неизменно приносило успех. Этот взгляд на вещи подсказывает человеку здравый смысл, весь уже немалый опыт прошлого. Однако сейчас намечается глубокий кризис концепции слов «состоит из». Приведем простейший, видимо, пример.

Свободный нейтрон, мы помним. – частица нестабильная: вылетев из ядра, он распадается на протон, электрон и антинейтрино. Значит? Значит, как подсказывает логика, прогон входит составной частью в нейтрон.

Но, с другой стороны, при столкновении на ускорителях двух протонов появляется несколько элементарных частиц и среди них… нейтроны Значит? Что, неужели нейтрон является частью протона?..

Позвольте! Кто же из кого состоит? Кто больше, кто меньше? Где часть, где целое?.. Какая-то ядерная карусель получается!

Взаимная превращаемость микрочастиц, возможность рождения и уничтожения их – это все совершенно новые черты, отличающие современный атомизм от атомизма прошлого.

Все мы, будут в цирке, не раз наблюдали за жонглером.

Вот он бросает и ловит шарик. Сначала медленно, затем темп убыстряется. И наконец мелькание шарика воспринимается нами уже как целое облако летающих шариков.

Очень схожим образом, оказывается, ведут себя в ядре протоны и нейтроны. Например, довольно быстро испуская и поглощая обратно пи-мезоны, они создают вокруг себя мезонное облако.

При этом, «излучая» положительно заряженный пи-мезон, протон немедленно превращается в нейтрон. А нейтрон, в свою очередь, испустив отрицательный пи-мезон, становится протоном. Если же идет обмен нейтральными пи-мезонами, все остается прежним: протон – протоном, нейтрон – нейтроном.

Но это не последний цирковой трюк, который может демонстрировать природа. Гораздо более впечатляет другой ее номер.

В процессе взаимопревращений, идущих внутри частицы, в качестве ее составляющей может находиться точно такая же частица, как и она сама, или даже… несколько таких частиц!

В микромире можно наблюдать и такое: протон состоит из протона и пи-мезона, который почти не уступает ему в размерах. Пи-мезон, в свой черед, может состоять из трех таких же пи-мезонов…

Но ведь это противоречит всем нашим обычным представлениям! Это просто бессмыслица, абракадабра, дурной сон! Получается как в волшебной сказке: кит на воде, а вода на ките!

И все же это так. Привычные взгляды о простом и сложном, о целом и части в мире элементарных частиц оказываются совершенно непригодными. И прав был В. Гейзенберг, писавший: «Нашей задачей должно быть приспособление нашего мышления и нашего языка, то есть нашей научной философии, к новой ситуации, созданной данными эксперимента. К сожалению, эта задача чрезвычайно трудна. Неверно поставленные вопросы и неправильные наглядные представления автоматически просачиваются в физику частиц и уводят научные исследования в сторону от реальной природы…»

Целое больше части, а почему не наоборот? Ведь похоже, что в микромире все дозволено. Как и в сумасшедшем доме, в котором побывал бравый солдат Швейк и где он узнал, что внутри земного шара есть другой, значительно больший наружного.

Большое – это большое, малое – это малое, часть не может превосходить целое… Эти и им подобные «приличия» неуклонно соблюдались лишь на верхних ступеньках «лестницы», ведущей вниз, в подвалы материи.

В атомах мы четко отличали мелкую мозаику частей – электроны, ядра – от величественного целого.

И в атомном ядре, хотя тут уже и было довольно тесновато, понятия простого и сложного сохранялись. Ядра состояли из протоков и нейтронов. И размеры ядер были отчетливо больше размеров его частей. Тут все еще царил относительный порядок.

Однако в протоне и в других элементарных частицах «все смешалось». Здесь утверждение о том, что частица состоит из других частиц, носит уже весьма условный характер. Идея вульгарной механической делимости вещества становится тут неприменимой.

Кажется, что с «лестницей» нашей начинает происходить что-то странное. Ступеньки налезают друг на друга, громоздятся, дыбятся. Они кажутся сработанными на глазок, тяп-ляп, уложены как придется, на авось… Уже и не скажешь сразу: спускаемся ли мы или топчемся на месте.

Какие уж там матрешки!

«Демократы» против «аристократов»

В 1929 году в речи, произнесенной на юбилее словацкого ученого-теплотехника А. Стодолы, А. Эйнштейн произнес такие слова: «Если говорить честно… мы хотим не только знать, как устроена природа (и как происходят природные явления), но и по возможности достичь цели, может быть, утопической и дерзкой на вид, – узнать, почему природа является именно такой, а не другой. В этом ученые находят наивысшее удовлетворение. В этом состоит прометеевский элемент научного творчества».

Осуществить эту дерзкую мечту, имея дело с бесконечной (и конечной!) последовательностью матрешек, невозможно. Но что, если природа самозамкнута? Если все се свойства вытекают из самого бесконечного разнообразия ее частей? Что, если каждая элементарная частица состоит… из всех остальных? Чепуха? Ересь?

Кто знает! Не будем спешить с вынесением окончательного приговора. Лучше обратимся к авторитету опыта.

Вновь займемся сидящим в ядре протоном. Вокруг него, как утверждают ученые, имеется сложное ядерное поле сил. Квантами этого поля являются всякого рода мезоны: пи-, ка-, ро– и многие другие частицы – они возникают при искусственно вызванных на ускорителях соударениях частиц.

Поле ядерных сил можно (мы уже отмечали это) представить в виде облака мезонов, «плавающих» вокруг «сердцевины» протона. Эта мезонная «шуба» совершенно неотделима от понятия «протон». Так что протон или, скажем, нейтрон своим существованием обязан и многим другим «элементарным» частицам – на ускорителях отдельные «клочья» этой шубы удается сорвать. Так, словно по волшебству, возникают все новые и новые частицы.

И этот пример – протон и его «шуба» – вовсе не исключение, это правило, теперь уже даже азбука законов микромира.

Вот так, как гром среди ясного неба, с высоты современных достижений пауки, в противовес старым взглядам современная ядерная физика практикой своих экспериментов формулирует ошеломляющий, радикально новый подход к проблеме первоматерии: в микромире, возможно, ВСЕ состоит из ВСЕГО.

Вот и рухнула матрешечная философия. Принципиально неверно искать в микромире «последную» элементарную частицу. Ее нет. Любая частица может оказаться в этом смысле и первой и последней. И никакого «кризиса» философии, никакого тупика нет.

Безумнее, смелее этого взгляда на мир, кажется, трудно что-либо предложить. Конечно же, мысли эти могут быть детищем только новейшего времени…

Но что это? Чей-то слабый голос доносится к нам из тьмы времен. Слышится греческая речь… Это к нам обращается философ Анаксагор (происходил из знатного и богатого рода, не имея нужды гоняться за куском хлеба, с юных лет посвятил себя науке, видя в ней единственную цель жизни). Он утверждает (за эту и другие смелые мысли, противные религии и мистике, был обвштел в безбожии), что мир состоит из бесчисленного множества частиц (до Анаксагора считали, что все состоит из четырех первотел: земли, воды, воздуха и огня), названных им «семенами вещей», или гомеомериями.

Ну и что же? И Демокрит говорил нам об атомах.

Еще одна матрешка?

Вовсе нет. У Анаксагора каждая гомеомерия содержала в себе все элементы мира («Все во всем»! – учил он. «Если что-то можно назвать, скажем, золотом, то только потому, что золото в нем преобладает. Остальные ингридиенты мы просто не в состоянии различить».) Поэтому каждая частица, как бы мала она ни была, оказывалась бесконечно сложной. Поразительное прозрение!..

Новые представления физиков о мире, крайне неприятные для матрешечных рассуждений, получили название «ядерной демократии». Согласно этим воззрениям и те частицы, которые предстоит еще открыть, будут не более элементарными, чем уже открытые.

Механизм «взаимной поддержки», «самосогласованности» элементарных частиц, обусловливающий ядерную демократию, еще обозначают словом «бутстрап» (от английского «зашнуровка»: ведь все частицы оказываются как бы связанными единым «шнурком», как отверстия в ботинке). Бутстрап – очень сложное понятие, его еще не удалось сформулировать на строго математическом языке, унаследованном от предшествующих физических теорий.

Трудности понятны. Бутстрап – ошеломляюще новая концепция даже для «повидавших виды» в микромире физиков-теоретиков, этих великих к тому же выдумщиков. Даже они остановились в растерянности перед этим миром, где все зависит от всего, где нет малых параметров. А это значит, что исследователь тут должен отказаться от слов «несущественное», «малозначительное».

Но разве можно жить в мире, где буквально все важно и значительно? В мире, где нет пылинок, мелочей, второстепенного? Где все завязано в один общий тугой узел?

Да, неуютно тут человеку!

Понятия ядерной демократии, бутстрапа идут вразрез с доктриной кварков, с доктриной «кирпичиков» материи.

Кварки – аристократы. Тут есть спесь, большие претензии, взгляд свысока. Кварки по самому своему статусу – особо выделенные частицы. О демократии здесь говорить не приходится.

«Аристократы» или «демократы»? Что предпочла природа? Стопроцентный выбор между этими двумя крайностями пока сделать нельзя. Видимо, одна из основных программ будущих исследований на ускорителях – выяснение этой важной дилеммы.

Справедливости ради надо отметить, что не все физики разделяют «демократические» устремления. Кое-кто даже считает такую позицию капитуляцией. Они утверждают, что гипотеза «ядерной демократии» (выдвинута она была еще в 60-е годы) свидетельствовала об отчаянии теоретиков, которые, дескать, явно запутались, потерялись в адронных джунглях.

«Трудно представить, – продолжают сторонники «аристократизма», проповедники поиска «самых фундаментальных» объектов и относительно простых теорий, их описывающих, – даже в самых общих чертах то длиннейшее уравнение, которое собираются написать сторонники «ядерной демократии».

Горбушка тяжелее буханки

Многие века это считалось само собой разумеющимся: масса – это масса, а энергия – это уже совсем другое.

В физике понятия «масса» и «энергия» мирно жили бок о бок, часто встречались, но проходили мимо, словно бы не замечая друг друга.

Одной из святынь физики является закон сохранения энергии. То же можно было сказать (материя не может исчезать, проваливаться в никуда!) и про закон сохранения массы.

Это мирное житие массы и энергии было (1906) увенчано торжественной свадьбой. Организовал ее А. Эйнштейн. Он опубликовал статью, где показал, что энергия (Е) и масса покоящегося тела (m) связаны простым соотношением: Е = m × c ², где c – скорость света в вакууме.

Так масса и энергия оказались повенчанными, вступили в вечный и нерасторжимый брак.

Соотношение Эйнштейна было воспринято ученым миром без всякого сопротивления. Совсем не так отнеслись к другим его идеям. Например, к идее о квантах света – фотонах.

Фотон вначале был «изобретен» А. Эйнштейном чисто теоретически (1905 год). Мысль о дискретной структуре излучения была столь дерзкой, что даже самый отчаянный из отчаянных – Н. Бор отказался ее признать. (Напомним, что квантовой механики, которую Н. Бор – в 1920 году на средства крупнейшего датского пивовара он основал в Копенгагене Институт теоретической физики, ставший Меккой для ученых многих стран, – и другие теоретики позднее создали, тогда еще не существовало.)

Резко критиковали идею световых порций-квантов и такие корифеи тогдашней физики, как М. Планк (он открыл в 1900 году квант действия, что стало «прелюдией» к возникновению квантовомеханических представлений) и X. Лоренц.

Тут уместно вспомнить такой эпизод. В 1911 году видные немецкие ученые рекомендовали избрать 34-летнего Л. Эйнштейна действительным членом Прусской академии наук. В характеристике-представлении ученых были такие слова: «…вряд ли имеется хоть одна из больших проблем, коими столь богата современная физика, в которую Эйнштейн не внес значительного вклада. И если кое-что в его спекуляциях могло пройти мимо цели, как, например, его гипотеза о световых квантах, то это не может быть поставлено ему в вину, ибо, выдвигая новые идеи, особенно в наиболее точных науках, невозможно не идти на некоторый риск».

Вот так-то! Лишь появление квантовой механики «реабилитировало» А. Эйнштейна. Но этой науке он сам позднее объявил непримиримую войну.

А в 1951 году ученый с грустью констатировал: «Все эти пятьдесят лет упорных размышлений не приблизили меня к ответу, что такое световые кванты. Конечно, сегодня каждый думает, что он знает ответ, но он обманывает себя».

Какая ирония научной судьбы!..

Фотон утвердился в физике с боями, но с законом Е = mс ²никаких трудностей не было. Все ныне знают: при взрыве атомной бомбы масса преобразуется в энергию. Но особенно популярна идея антивещества.

Оно (антивещество) стало реальностью: в нашей стране на Серпуховском ускорителе был получен антигелий – не позитроны или какие-то другие микроантичастицы, а уже довольно сложный химический элемент.

Известно, что при соединении вещества с антивеществом масса переходит в энергию (процесс аннигиляции).

В научно-популярных статьях, научно-фантастических рассказах и романах уже неоднократно обсуждались эти факты науки. Возможно, и вправду в будущем антивещество удастся использовать в качестве концентрированного топлива в космосе. Но прежде, конечно, придется преодолеть многие трудности: хранение, транспортировка антивещества и т. д.

То, что масса может превращаться в энергию, известно широко. Меньше знают об обратном процессе: о создании массы из энергии.

Человек в день потребляет с пищей 2500 больших калорий энергии. Если бы он все эти калории пустил на создание всего лишь одного грамма вещества, ему пришлось бы ждать (и жить!) приблизительно 20 тысяч лет!

О том же по-другому: примерно 30 миллионов литров бензина пришлось бы сжечь, чтобы создать все тот же грамм вещества: так океан энергии превращается в ручеек массы! (А причина та, что фигурирующая в приведенной формуле скорость света – величина настолько грандиозная, что при обратном процессе даже из крох массы получаются моря энергии.)

Но есть область науки, где получение из энергии вещества – обычное, рядовое явление. Это ускорители.

Здесь фокусы с возникновением всевозможных частиц давно уже никого не удивляют. И здесь можно добиться даже более эффектных трюков. Скажем, встретить сидящего в кастрюле… слона! Нелепица?

Вспомним про «ядерную демократию». Там утверждалось: любая частица содержит в себе весь остальной мир, а значит, и элементарные частицы, более тяжелые, чем «материнская». И следовательно, эти тяжеловесы (слоны!) действительно должны сидеть внутри частицы-легковеса (в кастрюле!).

Простая логика, но уже не житейская, а научная.

А с наукой спорить – только время терять.

«Все так, – заметит Иван Иванович Иванов, этот эталон здравого смысла! – Но ведь все это звучит по меньшей мере дико. Это похоже на сообщение о том, что некто, гуляя в подмосковном лесу, встретил майского жука величиной с Ту-154. Или, если быть более точным, ваше, физик, утверждение равносильно такой информации: на энском заводе авиаконструкторы из трех самолетов, без потерь материала, сконструировали и собрали одного обыкновенного (не гигантского) майского жука!»

«Да, именно нечто подобное имеется в виду, – следует хладнокровный ответ физика, с тем только добавлением, что события эти происходят в микромире…»

В сказке Ш. Перро «Кот в сапогах» (помните?) великан превратился в мышку и тут же был съеден котом.

Если бы мы так же могли сократиться в размерах и превратились в Homo hadronicus – крохотные существа, которым по плечу сильные взаимодействия, – то, будьте уверены, повидали бы немало чудес.

Разрезая адронный хлеб адронным ножом, мы получали бы горбушки, которые были бы тяжелее самих буханок. И каждый откусанный от ломтя кусок был бы весомее этого ломтя.

И мы бы, как пошутил один физик, с удовлетворением наблюдали бы такое: как бокал вина адронеули или адрукузани, разлитый по бокалам всей честной компании, наполнил бы их до венчика.

И ничего особо чудесного не представлял бы для нас и великан джинн, квартирующий в бутылке. И вообще слова «полез в бутылку» перестали бы быть только фигуральными…