Текст книги "Охота за кварками"

Автор книги: Юрий Чирков

Дефект масс

Здравый смысл говорит нам: если мы разрежем яблоко пополам, то каждая половина будет точно в два раза меньше и легче целого плода. Сложим обе половины и снова получим яблоко. Но не может такого быть, чтобы две половинки весили больше целого яблока.

В макромире, согласимся, такого действительно быть не может, а пот в мирз элементарных частиц… Разнимая вещество на все более мелкие части, физики вдруг обнаружили нарушение закона сохранения массы. Оказалось: масса целой частицы всегда меньше суммы масс частиц, ее составляющих.Явление это получило название «дефект масс».

Понять этот очередной парадокс природы можно так.

Возьмем килограмм картофеля. Мы точно уверены: полная масса пакета складывается из масс отдельных картофелин. Каждую из них можно легко отделить от других.

А теперь допустим, что картофелины сильно сцеплены друг с другом (как бы склеены невидимым клеем!). Тут уже приходится затратить энергию, чтобы картофелины растащить. Но по формуле Эйнштейна эта, как и всякая энергия, эквивалентна массе. И получается: каждая из отторгнутых от кучи картофелин должна теперь стать более массивной!

И никакого при этом нарушения закона сохранения энергии. Дефект масс просто восполняет выделение (если позволить картофелинам вновь «слипнуться») соответствующего количества энергии, и все получается, так сказать, баш на баш.

Пример с картофелем может показаться натяжкой.

Однако даже при горении обычных дров уже можно уверенно говорить о дефекте масс. Нетрудно строго показать, что тут суммарная масса продуктов реакции чуточку меньше, чем масса дров и кислорода воздуха. И эта разница в массе трансформируется в тепло – кинетическую энергию продуктов горения.

Но, конечно, в макромире дефект масс проявляет себя крайне слабо. Здесь тела ломаются (рвутся, бьются, истираются, расщепляются) благодаря электромагнитным взаимодействиям. Колем ли мы дрова, взрываем ли скалу, делим ли в сосуде жидкость на равные части, грызем ли яблоко, рвем ли бумагу в клочья – всюду мы всего лишь разрываем хилые электромагнитные связи.

Их крайняя слабость и создает видимость того, что часть всегда обязана быть легче целого.

В микромире все не так. Если энергию, передаваемую в химических реакциях (электромагнитные силы), принять за единицу, то в ядерных реакциях ее выделяется в миллионы, а при пертурбациях элементарных частиц – в миллиарды раз больше.

Хороший пример дает термоядерный синтез, о котором в последние годы так много говорят и пишут. И неспроста: тут дефект масс столь значителен, что энергетики связывают с термоядерной энергией самые большие надежды.

Пока… Ибо энергетика будущего может быть построена и на других основах. Возможно, гораздо больший эффект даст нам «сжигание»… кварков.

Дело вот в чем: каждый протон состоит из трех кварков. Но каждый кварк (есть и такое подозрение) раз в десять (фантастика науки) тяжелее протона. Да, толстые кварки запросто умещаются в чреве худенького протона.

Итак, вновь дефект масс: если три свободных (строго говоря, свобода кварков никем окончательно не запрещена!) кварка объединятся в протоне, выделится громадная энергия. Ее было бы достаточно для снаряжения кварколетов в межзвездные экспедиции. (Вероятно, именно с подобными процессами сталкиваются астрономы при наблюдении взрывающихся галактик и других грандиозных явлений в космосе.)

Кто то уже подсчитал: когда три кварка сольются в протоне. 95 процентов их массы «исчезнет» – превратится в энергию. И «утилизация» всего одного грамма кварков позволила бы высвободить уйму энергии, эквивалентной сжиганию 2500 тонн нефти.

Неплохие перспективы для энергетики землян!

Максимоны

Легкое из тяжелого? Дефект масс это разрешает. А объединение этого принципа с законами квантовой механики намертво запрещает даже слабый намек на мысль о том, что в микромире массивное может складываться из легчайшего.

Одно из многих чудес квантовой механики – это так называемое «соотношение неопределенностей» Гейзенберга. Суть тут та, что. чем меньше размеры области, где заключен исследуемый объект, тем больше его скорость или энергия, или, что то же, – масса. Поэтому, чем в большие глубины забираются исследователи, тем с большими массами они обязаны иметь дело.

Понятно, подобные идеи не могли возникнуть ни у Демокрита, ни у Лукреция Кара, ни у физиков более позднего времени. И им поневоле приходилось довольствоваться примитивными матрешечными построениями.

И только в наши дни появился совершенно новый взгляд на структуру микромира, который даже пригрезиться не мог древним мудрецам. Не матрешки, вложенные одна в другую и становящиеся все меньше, а, так сказать, «антиматрешки», «матрешки наоборот»: череда все более увеличивающихся в размерах куколок, размещающихся тем не менее в бесконечно малом объеме.

«Но откуда возьмутся такие великанши? – вправе спросить читатель. – Где эти громадины прячутся?»

Ответ таков: в ядре.

Эксперименты по рассеянию мезонов и других частиц-снарядов на нуклонах позволили «прощупать» (своеобразный рентген!) их внутреннее строение.

Основное вещество протона, как в атоме, сконцентрировано в его центральной части – керне (радиус керна около 5 x 10 ^-14сантиметра). Однако если радиус атомного ядра приблизительно в сто тысяч раз меньше размеров самого атома, то радиус керна всего лишь в несколько раз меньше размеров протона (остальная часть протона – это мезонная оболочка, или «шуба»).

Атом своим строением напоминает солнечную систему. Протон же скорее всего похож на планету с массивным центральным ядром и окружающей ее протяженной атмосферой. Примерно то же самое можно сказать и про нейтрон.

Строение керна пока остается загадкой. Возможно, как подозревают некоторые ученые, керн нуклонов сложен из плотных сгустков очень тяжелых частиц. Там, вероятно, и находятся матрешки-гиганта.

Существование вереницы все увеличивающихся в размерах матрешек вновь ставит перед учеными и философами старинный вопрос, только теперь он как бы вывернут наизнанку конечна шеренга увеличивающихся магрешек или же бесконечна?

Или по-иному скажем так: если в старой атомистике шел спор о существовании какой-то мельчайшей из малых частиц, то теперь законно сирость, а нет ли в природе элементарной частицы предельно большой массы, которая бы претендовать на роль фундаментального «элемента» (слово взято в кавычки, ибо этот «элемент» по своим параметрам – масса – явно антиэлементарен!) матрешек?

Эти мысли (изложенные, конечно, строгим языком формул) впервые (1965) отчетливо выразил советский физик-теоретик академик М. Марков. Он же предложил назвать частицу с предельной массой «максимоном».

Спектр возможных масс элементарных частиц очень широк, но отчего бы не существовать его границам? Верхней – максимой и нижней – минимон (наименьшая отличная от нуля масса, это понятие также введено М. Марковым).

Готовой предельной массы природа не заготовила?

Что же, ее надо сконструировать!

Из скорости света с постоянной Планка h и гравитационной постоянной х можно образовать величину размерности массы:

…………………..

m _макс.= √ (hc/х)×10 ^-5грамма.

………………………….

Она – ее называют массой Планка – в 10 ¹⁹раз больше массы протона. Частица с такой массой и есть максимой.

Академик М. Марков полагает, что элементарная частица с такой чудовищной массой (обнаружить максимой на поверхности Земли нельзя: сила тяжести увлечет его, и он, разрывая слабые силы сцепления между атомами вещества, провалится к центру планеты!) должна ограничить спектр возможных частиц, что в природе не существует микрообъектов с массой больше, чем m _макс.

Прав ученый или нет – покажет будущее. Но уже сейчас можно утверждать о состоявшейся революции в наших взглядах на коренные аспекты мироустройства.

Имея в виду «опрокинутую» (не сверху вниз, к малому, а снизу вверх – к большому!) последовательность матрешек, М. Марков в одной из статей выразился так:

«Появление этой идеи можно рассматривать как самое яркое и значительное событие за всю тысячелетнюю историю наших представлений о веществе».

9
Вселенная в электроне?

 
Быть может, эти электроны
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!
 
 
Еще, быть может, каждый атом
Вселенная, где сто планет;
Там – все, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет…
 

Валерий Брюсов

В ясную безоблачную ночь кто из нас, запрокинув вверх голову, не разглядывал усеянное звездами бездонное небо? Вот Большая Медведица. Полярная звезда, вон щедрая россыпь Млечного Пути… Созвездия, галактики, мир всевозрастающих расстояний. Где же конец этой веренице исполинов, когда за большим следует еще большее?

Что там, за космическим, галактическим горизонтом?

Бесконечна ли Вселенная или ограничена? Если размеры ее конечны, то как их измерить?..

Эти и подобные им волнующие вопросы задавал себе каждый.

Неожиданный, парадоксальный, ошеломляющий ответ дает академик-секретарь отделения ядерной физики АН СССР М. Марков. Бесконечно большое, казалось бы, неизмеримое он предлагает охватить… бесконечно малым!

«Там та же мировая спесь»

В каждой частице, какой бы малой она ни была, «есть города, населенные людьми, обработанные поля, и светит солнце, луна и другие звезды, как у нас». Анаксагор утверждал это еще в V веке до нашей эры.

Трудно согласиться с подобными утверждениями, весь наш чувственный, житейский опыт противится. В жизни наш удел – малые скорости, ничтожно малые по сравнению со скоростью света, и массы веществ, в неизмеримое число раз превышающие массу атомов и исчезающе малые по сравнению с массами звезд.

Меру огромного дает нам космос. Даже невооруженным глазом человек может различить на всем (оба полушария) небе 6 тысяч звезд. Но это число начинает бешено расти, если наше несовершенное зрение усилить астрономическими трубами, оптическими телескопами, радиотелескопами.

Тут уж в одном лишь Млечном Пути человеку удалось бы различить, как показывают оценки, примерно 200 миллиардов звезд. А надо бы еще учесть, что галактик, подобных нашей, в космосе, утверждают астрономы, можно насчитать до 10 миллиардов!..

Звездные бездны страшили французского ученого и философа Б. Паскаля (1623–1662). Он много размышлял о месте человека («мыслящего тростника», как он его называл) в этом беспредельном мире. Б. Паскаль говорил:

«Что такое человек в природе? Ничто в сравнении с бесконечностью и все в сравнении с ничем. Это середина между ничем и всем…»

Да, для нас малое – это атом, а большое – «толщи» Вселенной. И по старинке мы упрямо строим большое из малого.

Пока эту идею исповедует большинство. И только отдельные люди – ученые, поэты, философы, мечтатели – восстают против очевидности.

В XVII веке мысли Анаксагора о вложенных мирах повторил немецкий философ и математик Г. Лейбниц (он вместе с И. Ньютоном, независимо, заложил основы дифференциального и интегрального исчислений). Он также считал, что в каждой, даже «наименьшей части материи существует целый мир созданий, живых существ, животных…».

Эти взгляды Г. Лейбница и других мыслителей – вскоре пришла эпоха микроскопов, потрясенные натуралисты увидели за линзами сложные структуры, целые неведомые миры! – ядовито высмеял в стихах Д. Свифт.

Он писал:

 
Натуралистами открыты
У паразитов паразиты,
И произвел переполох
Тот факт, что блохи ость у блох.
И обнаружил микроскоп.
Что на клопе бывает кяоп,
Питающийся паразитом,
На нем другой, ad infinitum…
 

Но вопреки всем этим насмешкам многие биологи упрямо полагали, что яблочное семечко заключает в себе крошечную яблоню – целое дерево с плодами, внутри которых опять-таки находятся еще более крохотные яблоньки. И так до бесконечности.

Подобной игре воображения предавались и некоторые физики. И даже в не очень отдаленные времена, когда Н. Бор предложил планетарную модель атома.

Ход мысли его был таков: электроны – планеты атомной системы – населены чрезвычайно малыми живыми существами, которые возводят свои домики, обрабатывают почву и изучают свою атомную физику. И на каком-то этапе они обнаруживают, что и их атомы также являются маленькими планетными системами…

А в начале нашего века В. Брюсов в стихотворении «Мир электрона» (этот маленький шедевр датирован 13 августа 1922 года) писал – смотри эпиграф к этой главе – про электроны, где скрыты целые вселенные и живут существа, подобные нам. Вот продолжение этого стихотворения:

 
Их меры малы, но все та же
Их бесконечность, как и здесь;
Там скорбь и страсть, как здесь, и даже
Там та же мировая спесь.
 
 
Их мудрецы, свой мир бескрайний
Поставив центром бытия,
Спешат проникнуть в искры тайны
И умствуют как ныне я…
 

Как относиться к подобным представлениям? Объявить вздором, нелепицей? Давайте не будем торопиться с выводами. Ученые уже много раз показывали, как относительны понятия «большого» и «малого».

Эстафета великих открытий

В 1915 году была создана общая теория относительности.

Было показано, что геометрические свойства пространства реального мира существенным образом зависят от того, как распределена в нем материя. Другими словами, было установлено: окружающий нас мир, подобно изогнутому листу бумаги, обладает кривизной, и эта кривизна связана с гравитационным полем.

Простой пример. Мы привыкли, так учит в школе геометрия Эвклида, что сумма углов треугольника равна 180 градусам, или, если углы измерять в радианах, равна числу π. Но это верно лишь для Эвклидовой геометрии.

В неэвклидовых – сумма углов треугольника может быть и больше (пространства с положительной кривизной) и меньше (пространства с отрицательной кривизной) числа π.

По Эйнштейну, вид геометрии в конечном итоге определяет плотность вещества, распределение материи в пространстве. Если плотность достаточно велика, то, скажем, отношение длины окружности к диаметру перестает быть равным π. Это отношение может даже стать равным нолю, а изучаемая система при этом превратится… в крохотную точку.

В 1922 году ленинградский математик А. Фридман, анализируя уравнения общей теории относительности, сделал сенсационное открытие. (Широта интересов А. Фридмана поразительна: он имел звание летчика – в 1914 году добровольцем ушел на фронт и получил за храбрость «Георгия», – занимался теорией бомбометания, метеорологией – в 1925 году с научной целью поднялся в аэростате на рекордную для того времени высоту 7400 метров… А. Фридман любил повторять слова Данте: «Вод, в которые я вступаю, еще не пересекал никто». Жаль, что этот так много обещавший ученый скончался так рано: в Крыму, куда он приехал отдыхать, он заразился брюшным тифом и умер в возрасте 37 лет.)

А. Фридман обнаружил, что уравнение Эйнштейна имеет решения, которые описывают необычный мир – замкнутый. Под действием гравитации в отдельных участках Вселенной материя может «схлопнуться», образовав самозамкнувшееся пространство.

Как представить себе это необычное явление?

Возьмем шар и вообразим, что мы из землян превратились в «сферян», ползающих по поверхности шара и ничего не подозревающих о существовании третьего измерения.

Поверхность сферы образует особый двухмерный мир.

Он замкнут и в то же время безграничен – ведь по поверхности шара можно двигаться в любом направлении, не опасаясь наткнуться на какую-то неодолимую преграду.

Сферяне не догадываются о трехмерности их мира.

Но они могут ставить опыты и, допустим, решили опытным путем проверить, безгранична или же ограниченна их Вселенная. Они начинаю! чертить на поверхности сферы окружности. И вот, к их великому удивлению, длина окружности, все возрастая по мере удаления от того места, где находятся сферяне-экспериментаторы, достигает максимума (на экваторе), а затем (поразительно!) начинает неуклонно уменьшаться, вплоть до ноля.

Это бы и означало для сферян, что их мир замкнут.

Самосхлопывающийся мир Фридмана устроен подобным же образом. Только мы, люди, возможно, «ползаем» по поверхности уже не трех-(сферяне), а некого четырехмерного шара.

Радиус замкнутого мира зависит от его массы. Чем масса больше, тем больше и радиус, вмещающий эту массу «вселенной».

Замкнутый мир с массой, равной массе Солнца, имел бы радиус всего около 300 метров. А вот размер замкнутого мира с массой, близкой к массе известной нам части нашей Вселенной, составляет уже что-то около 10 ²³-10 ²⁴километров. Чтобы пересечь такой мир, световому лучу потребовалось бы более 10 миллиардов лет!

Свойства очень больших замкнутых миров практически не отличаются от свойств «плоского» (с Эвклидовой геометрией), не обладающего кривизной мира. И его жителям трудно догадаться о замкнутости их Вселенной и о том, что есть еще и другие, неведомые им миры.

Различные замкнутые миры полностью отделены друг от друга. Никакой связи между ними быть не может. По отношению ко всем остальным каждый из замкнутых миров является «абсолютным ничто», точкой, лишенной размеров, массы и всех других мыслимых физических свойств. Но для живущих в этом замкнутом мире существ их собственный мир – это бескрайняя Вселенная.

Вот так и возникает близкое соседство между нолем и бесконечностью!

В этой эстафете великих научных откровений следующий шаг, уже в наши дни, сделал академик М. Марков. Он высказал идею о том, что если замкнутую систему «подпортить» внесением электрического заряда, то она «откажется» быть полностью замкнутой. Возникнут (они, видимо, более часты в природе) «полузамкнутые миры», которые отличаются от замкнутых тем, что связаны с «внешним» пространством тонкой «горловиной».

Внутри горловины поле тяготения настолько велико, что Даже свет не в состоянии вырваться наружу. Снаружи же полузамкнутый мир должен казаться точечных размеров элементарной частицей.

Вот так и родилась мысль о том, что для «внешнего» наблюдателя, возможно, вся наша Вселенная с недоступными галактиками, с миллиардами звезд и планет, Вселенная с ее холодом беспредельности, так пугающей и принимающей человека, – все это, может быть, лишь крохотная частица размерами, допустим, с электрон!

Подобные частицы в честь Фридмана М. Марков назвал «фридмонами».

Проделки гравитации

Фридмоны – не порождение ли это фантазии ученых, подобной фантазии поэтов? Вовсе нет! Без всяких натяжек и дополнительных, гипотез система уравнений Максвелла – Эйнштейна содержит, оказывается, фридмонные решения.

Но как же это все-таки может быть? Как может Вселенная разместиться в электроне? Как быть с понятиями «большое» и «малое»?

Действительно, ситуация непростая. Какой критерий избрать для сопоставления размеров Вселенной и элементарной частицы? Ведь абсолютного эталона нет, все относительно. Мы, люди, все меряем по себе: то, что больше нас, – велико, что меньше – мало. Но правомерен ли такой подход? Да и наши-то истинные размеры, каковы они?

Может быть, более прав поэт Н. Заболоцкий, у которого есть такие строки:

 
Но для бездн, где летят метеоры,
Ни большого, ни малого нет,
И равно беспредельны просторы
Для микробов, людей и планет.
 

Но оставим общие рассуждения. Обратимся к физике и математике, к тому, что получил М. Марков.

М. Марков родился в 1908 году в селе Малыщше на Тамбовщине. Его отец был первым председателем сельского Совета в селе. Образование Маркова началось в церковно-приходской школе, но среднюю школу он кончал в Москве, и в 1926 году уже был студентом физфака МГУ. А в 1933 году была опубликована его первая научная работа: тогда его интересовала квантовая химия.

Сейчас М. Марков – один из ведущих советских физиков-теоретиков, Герой Социалистического Труда, крупный специалист по теории элементарных частиц, автор известных трудов: «Гипероны и К-мезоны» (1958), «Нейтрино» (1964), «О природе материи» (1976). В последней работе он проявил себя не только крупным физиком с мировым именем, но и недюжинным, глубоким философом.

Диапазон исследований М. Маркова необычайно широк. Но среди его многочисленных работ наиболее интригующим является учение о фридмонах. Заслуги М. Маркова в том, что он обратил внимание ученого мира на возможность своеобразного космологического подхода к теории элементарных частиц.

Прежде гравитацию в микромире серьезно не принимали в расчет. В одной из работ М. Марков пишет:

«…давно сложилось интуитивное мнение, носящее характер предрассудка о том, что гравитационные взаимодействия не могут играть существенной роли в теории элементарных частиц…»

Истоки «предрассудка» понятны. Ведь силы тяготения в 10 ³⁷раз (!) меньше, чем, скажем, электрические силы. Естественно, что такую величину в пределах атома невозможно даже измерить, настолько она ничтожна.

Однако, оказывается, мыслимы такие ситуации, когда даже такое сверхслабое взаимодействие может проявить себя. Для этого надо массу системы резко увеличить (скажем, взять массу Вселенной!), а ее размеры резко сократить. И получится научное чудо, которое можно объяснить всякому, знающему хотя бы немного физику и математику.

Вспомним: энергия и масса эквивалентны. Раз так, значит, в инертной массе Вселенной заключена громадная энергия положительного знака. Но, как и у всякого массивного тела, у Вселенной есть еще и гравитационная энергия (энергия сжатия), имеющая отрицательный знак. И вот расчеты показывают, что при некотором критическом значении средней плотности вещества во Вселенной наступает равенство инертной и гравитационной энергий. А так как знаки у них различные, то суммарная энергия может упасть до сколь угодно малой величины и даже до ноля… Так огромная Вселенная окажется заключенной в почти замкнутом (по Фридману) мире, и ее внешние размеры могут быть микроскопическими и даже нолем.

Те же конечные результаты можно получить на языке физических символов. Пусть М – масса Вселенной, а К – ее радиус. Тогда энергия этой инертной массы положительна и равна Мс ², где с – скорость света. Гравитационная же энергия той же массы будет отрицательна и равна – (xM ²)/2R, где x – гравитационная постоянная.

Приравнивая эти энергии, найдем связь между массой и радиусом Вселенной. Ну а критическое значение плотности р*= M/V, где V – объем Вселенной, получим, если будем считать, что Вселенная – шар и V = 4/3 ×πR ³, тогда p*=(6 × c ⁶)/(π × x ³× M ²)

Теперь уже мы в состоянии «опытным путем» проверить гипотезу Маркова. Для этого необходимо лишь оценить величину плотности Вселенной. Константы с и X нам известны, остается только как-то определить М – массу Вселенной.

Взвесить Вселенную? Английский астроном А. Эддингтон (1882–1944) считал, что тут достаточно математических соображений. Так, он утверждал, что во Вселенной существует ровно 136 ^-2256, или 15 747 724 136 275 002 577 605 653 961 181 555 468 044 717 914 527 116 709 366 231 425 076 185 631 031 296 протонов и столько же электронов. Ни больше ни меньше!

Современные теоретики не столь категоричны. Но все же и они утверждают, что для того, чтобы наша Вселенная стала микрочастицей – фридмоном, необходимо, чтобы средняя плотность вещества р в ней была 10 ^-29грамма в кубическом сантиметре (примерно 10 атомов водорода в одном кубическом метре космического пространства, имеется, конечно, в виду, что материя равномерно «размазана» по пространству).

Это теория. А что практика? Эксперимент дает более низкую цифру 10 ^-30.

Однако в настоящее время стало ясно, что во Вселенной должна существовать так называемая скрытая электрически нейтральная масса. В принципе эту массу могли бы составить «нейтринные звезды», указанные М. Марковым еще в 1964 году. Эта возможность сейчас широко обсуждается в научной литературе. Возможно также, «скрытая» масса (она же энергия!) образуется «черными дырами». Таким образом, средняя плотность вещества может быть равной 10 ^-29грамма в кубическом сантиметре, необходимая для признания возможных микроскопических размеров нашего мира как целого.