Текст книги "Охота за кварками"

Автор книги: Юрий Чирков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 19 страниц)

Путешествие с демоном

В апреле – мае 1966 года в Крыму, вблизи Ялты, состоялась Международная школа по теоретической физике, организованная АН Украины и Объединенным институтом ядерных исследований (Дубна). В ее работе приняли участие теоретики из многих стран мира.

В своем докладе «Элементарные частицы предельно больших масс (кварки, Максимовы)» академик М. Марков, обращаясь к присутствующим, в частности, сказал:

«Я не хотел бы утверждать, что внутри того или другого электрона в настоящее время также происходит семинар по симметриям теории элементарных частиц. Не хочется подчеркнуть, что наши представления об элементарных частицах на самом деле могут быть очень далекими от действительного содержания этих объектов и что между «большим», космическим, и «микромалым» может и не быть такой пропасти, как это кажется с первого взгляда…»

Какое раздолье для фантазии и фантастических проектов представляет современная наука! Вот мы, земляне, уже которое десятилетие упорно ищем наших собратьев по разуму. Некоторые ученые пришли к пессимистическим выводам: дескать, жизнь на Земле – явление совершенно уникальное, неповторимое. Но если Вселенная способна уместиться в элементарной частице, то мыслящих иномирян мы, возможно, буквально держим в руках, топчем ногами, касаемся головой!

Чтобы хоть как-то представить себе необычный мир фридмонов, давайте совершим мысленное путешествие.

Когда-то Д. Максвелл ввел в обиход умозрительных физико-теоретических построений воображаемое существо (потом его назвали «демон Максвелла»). Ему доступно все: наблюдать отдельные атомы, сортировать их, летать со сверхсветовыми скоростями…

Представим теперь, что этот демон (и мы мысленно вместе с ним), отправившись из центра нашей Вселенной – а она фридмон, – начинает свое путешествие.

Демон встретит на своем долгом пути звезды, галактийи и другие немыслимо протяженные космические образования… Но вот он приближается к «горловине». Это та «пуповина», которая соединяет почти замкнутый (изнутри!) мир Фридмана с миром внешним.

Вылетая через горловину наружу, максвелловский демон с удивлением обнаружил бы, что та Вселенная, откуда он «родом», представляет собой теперь всего только микроскопический объект. Убедился бы, что все бесчисленные галактики, мимо которых он пролетал, трудновообразимым образом разместились в области крошечных размеров. И он должен был бы почувствовать себя, как автомобилист, вырвавшийся наконец из тесного темного туннеля на залитый светом необъятный простор…

Путешествие демона можно было бы и продолжить.

Допустим, что, вылетев из горловины, он оказался бы вновь в пространстве с критической плотностью вещества. Тогда бы ситуация могла повториться. Из фридмона № 2 он попал бы в мир № 3, который, в свою очередь, мог бы опять оказаться полузамкнутой Вселенной. И так далее, и так далее.

Миры в мирах, их бесконечная череда… А возможна ли связь между соседями во фридмонной цепочке? Между нашей цивилизацией и цивилизацией, существующей где-то внутри электрона или в какой-то другой элементарной частице?

Эта уже совсем фантастическая идея обсуждалась на страницах журнала «Химия и жизнь» в статье «Есть ли разум в микромире». Конечно, обсуждение велось в полушутливых тонах.

Если в микромире есть разум, говорилось в статье, то обращаемся мы с ним очень грубо, «с позиции силы».

В экспериментах на ускорителях одни частицы, несущиеся со световыми скоростями, мы сталкиваем с другими.

Варварский метод для установления каких-то контактов!

Как послать весточку в микромир? Как дать знать о себе? Обменяться информацией?

Пока неясно. Мы на Земле общаемся между собой на частотах от 10 ¹до 10 ⁶герц. В микромире же, если учесть колоссальную разницу пространственных масштабов, общение возможно на гораздо более высоких частотах: 10 ²⁰-10 ²⁷герц. Что же делать?

В статье упоминается такое предложение. Если толпу людей пропустить по ветвящемуся коридору, в левых ветвлениях которого слышен нечленораздельный гул, а в правых – человеческая речь, то в конце концов постепенно все люди повернут направо. Примерно той же процедуре предлагается подвергнуть и пучок элементарных частиц, двигающийся через особым образом организованную систему, делящую пучок поэтапно на правую и левую равные части. И еще предлагается квантовомеханическими средствами (они указаны в статье) создать слева – Хаос, справа – Порядок.

Если частицы «разумны», они смогут сориентироваться: выберут Порядок. И это послужит нам сигналом…

Огромное – мало, малое – огромно

Настала пора сделать важные оговорки. Во-первых, фридмоны – это пока лишь гипотеза, лишь предвидение теоретика. Наука сейчас не может ответить окончательно, тождественны ли фридмоны каким-то уже известным частицам, например, электронам, или же это что-то совершенно новое: тип частиц, которые еще только предстоит открыть опытным путем.

Во-вторых, совершенно неясно, можно ли говорить о каком-то подобии нашего мира, нашей Вселенной и того «космоса», который, возможно, спрятан в микромире.

Еще Д. Менделеев предостерегал от упрощенчества взглядов. «Есть своя захватывающая прелесть, – писал великий химик, – что малейшее в природе так же построено, как величайшее, но отсюда далеко до уверенности в том, что это так и есть на самом деле».

В-третьих, для общей теории относительности, если она уже вторглась в микромир, нужны квантовомеханические обобщения, но они только начинают разрабатываться современной наукой.

Квантовая теория гравитации, которая могла бы точно описать сильные гравитационные поля в микроскопических областях пространства, еще не создана. Физики могут лишь очень приближенно «сшивать» решения уравнений Эйнштейна с квантовой теорией. И поневоле многое в расчетах, начало которым положил М. Марков, остается еще неясным. И эти расчеты еще далеко не доведены до конца. (Кстати, кроме М. Маркова, подобными вопросами занимались и другие исследователи: известный теоретик С. Хокинг из Англии, советский профессор К. Станюкович – он предпочитает слову «фридмоны» слово «планкеоны», это название дано им в честь М. Планка, тем самым подчеркивается квантовая природа этих объектов, – занимаются подобными проблемами и другие исследователи.)

Квантовая гравитация обещает много чудес. Оценки (пока, увы, довольно грубые) показывают, что «горловина» фридмона – ее радиус чрезвычайно мал имеет размеры всего 10 ^-33сантиметра.

Предсказывает теория и очень сложную структуру материи, окружающей фридмон. Вокруг «голого» фридмона нарастают слои («шуба») из виртуальных спонтанно рождающихся и быстро исчезающих – частиц. Эти фантомы должны, в свою очередь, иметь слоистую структуру.

На дальней периферии (ближе к людям!) – это полупрозрачные, рыхлые мезонные «облака». А в областях, расположенных ближе к фридмону, находится более плотный «керн», слои из более тяжелых виртуальных частиц. И внутри всего этого «многоэтажия» прослоек (мы очень грубо, приближенно охарактеризовали его) глубоко и надежно запрятан фридмон. И он, быть может, и является как бы затравочным ядром для образования являющихся нам в опыте элементарных частиц. Но в этом ядре-фридмоне открывается… Вселенная!

Много еще научных вопросов предстоит решить.

Но как бы там ни было, концепция фридмонов очень обогатила современную науку.

А какой переворот в мировоззренческих, философских взглядах несет учение о фридмонах! Вспомним о матрешках. Размышляя о бесконечности материального мира, о структуре этой бесконечности, мы скорее всего слишком прямолинейны.

Бесконечную череду размеров (матрешка в матрешке) мы представляем себе чем-то вроде прямой, уходящей в область исчезающе малых (микромир) размеров, с одной стороны, и в область неограниченно больших масштабов, (мегамир, сами мы обретаем в макромире) – с другой.

Но, быть может, стремясь в космические дали, мы на самом деле лишь спускаемся в глубины микромира?

По Маркову, оказывается, бесконечность мира скорее похожа на круг, где сколь угодно малые величины «замыкаются» на бескрайне большие и соотношение ультрабольшого и микроскопически малого приобретает относительный смысл. Понятия переходят в свои противоположности. И бесконечное! ь мира похожа не на прямую с уходящими вверх и вниз стрелами, а на круг, где сколь угодно малые величины «замыкаются» на бесконечно большие.

* * *

…Холодное звездное небо над головой. Головокружительные дали, пытливо вглядываясь в которые человек узнает все новые научные откровения…

И главный, пожалуй, урок, преподанный фридмонами:

действительность может порой оказаться фантастичнее наших самых архибезумных фантазий.

10
Пирамиды XX века

Вместо того чтобы враждовать между собой из-за благосклонности публики, ученым больше подобало бы думать о себе как о членах экспедиции, посланной для обследования незнакомого, но цивилизованного общества, чьи законы и обычаи лишь смутно понятны.

Как бы ни интересно и полезно было утвердиться в богатых приморских городах биохимии и физики твердого тела, было бы трагедией прекратить поддержку партий, уже пробивающихся вверх по реке, через пороги физики микромира и космологии к таинственной континентальной столице, где издаются законы страны.

Стивен Вайнберг

Египетские фараоны жаждали величия даже после своей смерти. Ни средств, ни людей не жалели – возводили гигантские монументы. Крупнейший из них пирамида Хеопса в Гизе – имеет высоту около 150 метров. Но какими жалкими кажутся эти колоссы в сравнении с пирамидами XX века – ускорителями, воздвигнутыми во славу науки и человека.

Когда человечество глазами историков оглянется на бурный и неспокойный XX век и захочет в музеях будущего отвести этому столетию особый отдел, то, видимо, стремясь подчеркнуть грандиозность научных и технологических свершений тех далеких времен, оно поставит там наиболее внушительные по размерам экспонаты, – скажем, макеты космической ракеты, домны, атомной электростанции. Но среди всех этих символов нашего времени, возвышаясь над прочими, будет резко выделяться, бросаясь в глаза, модель самого грандиозного из построенных людьми ускорителя элементарных частиц. Эта модель будет для потомков, без сомнения, столь же значительной и памятной, как собор Парижской богоматери для тех, кто изучает эпоху средневековья.

Микроскопы микромира

Один остроумный журналист, желая показать взаимозаменяемость энергии и материи (точнее, массы, вспомним про формулу Эйнштейна), предложил энергию рассматривать как музыку, а элементарные частицы – как танцоров.

Что происходит в ускорителе?

Если совсем кратко, то тут танцоры способны превращаться в музыку, а музыка – в танцоров!

Рассказывать об ускорителях – значит повествовать о вещах очень необычных. Представим себе такую ситуацию. Кто-то захотел узнать устройство часов. Для этого он берет два будильника и с силой ударяет их друг о друга. Странный подход? Да. Но примерно по тому же принципу действуют и ускорители. (Добавим еще, что вместо россыпи шестеренок тут можно получить вдруг… дедушкины настенные часы!)

А еще – довольно распространенный прием – ускорители принято сравнивать с микроскопом. Это сопоставление обычно проводят примерно по такой схеме.

Говорят, что ускоритель – это исполинских размеров «микроскоп» (кавычки добавляют поневоле: внешне ускоритель мало похож на своего собрата по семье научных приборов). Пучку частиц в ускорителе, продолжают, соответствует световой поток в микроскопе; сложной электронной регистрирующей аппаратуре (детекторы, счетчики, логические и вычислительные устройства) – человеческий глаз, связанный с мозгом; системам формирования и управления пучком разгоняемых в ускорителе частиц (магнитные линзы, коллиматоры, системы коррекции) – оптическая система линз в микроскопе.

Обычные резоны физика, утверждающего близкое родство между ускорителем и микроскопом, таковы. Допустим, мы хотим рассмотреть какой-нибудь предмет, очень мелкий. Освещаем его. Если длина световой волны превышает размеры предмета, он остается невидим. Чтобы его разглядеть, необходимы достаточно короткие волны. Так и с элементарными частицами. Известно, что они не только корпускулы, но и волны. И длина этой волны будет тем меньше, чем больше энергия частицы. Вот и получается: чтобы «прощупать», скажем, сердцевину протона другим протоном, снаряд надо разогнать в электрических и магнитных полях до скоростей, приближающихся к световым.

Но в подобных рассуждениях не следует забывать, что элементарная частица не только волна, а своеобразный гибрид, сочетающий корпускулярные и волновые свойства. Поэтому как далеко может простираться аналогия между разглядыванием предмета в лучах света и зондированием элементарных частиц на ускорителях, сказать трудно.

Да, ускорители словно бы напичканы парадоксами.

Ныне это главное орудие для изучения фундаментальных законов микромира. Но то обстоятельство, что столь большие и сложные устройства необходимы для исследований столь ничтожных малюток, поражает, озадачивает, интригует и настораживает.

Быть может, как выразился один физик, эксперименты, выполненные на этих сверхмашинах, отчасти напоминают… «строительство шоссе для изучения химических свойств бетона»!

Ведь вполне возможно, что наблюдаемые явления (рождение новых частиц, к примеру) могут отражать не столько основные законы, сколько артистическое искусство экспериментаторов.

Что же происходит в ускорителях? В исчезающе малых объемах пространства в мельчайшие отрезки времени при соударениях концентрируются грандиозные порции энергии. (Частицы движутся со скоростью, близкой к скорости света, никогда ее не достигая, их релятивистская масса растет, и точнее было бы говорить не об «ускорителях», а об «утяжелителях».) Этот сгусток энергии по неизвестным законам и порождает весь тот сонм объектов, незнакомых и странных, который мы – скорее по инерции, чем по существу, – называем элементарными частицами. И вряд ли уместно тут говорить о каком-то расщеплении и представлять себе ускорители этакими «атомодробителями».

А коль так, что ж удивительного, если машины, предназначенные для постройки шоссе, и могут лишь строить шоссе, не более. Казалось бы, было странным, если бы они стали делать что-либо кроме…

Шляпы долой перед экспериментаторами!

С космических высот внимание инопланетян привлек загадочный объект на Земле – огромное, в несколько километров, кольцо. Если бы инопланетяне захотели познакомиться с таинственным кольцом поближе, то под толстым слоем насыпи они обнаружили бы кольцевой коридор-туннель, в котором при желании можно было бы устраивать велосипедные гонки.

Но настоящие гонки увидели бы в расположенной в туннеле вакуумной трубке диаметром в несколько сантиметров. В ней мчится со скоростью, достигающей 99,999 процента от скорости света, пучок протонов…

Один иронически настроенный физик писал так:

«Ускорители, без сомнения, самые крупные из когда-либо существовавших физических приборов. О них любят писать журналисты и поэты. Журналисты рапортуют об их графических ритмах. Поэты пишут о девушках, стоящих у циклотрона. Кинодеятели заставляют этих девушек танцевать на электромагните».

И нам стоило бы написать об ускорителях не главу, а целую книгу. Надо было бы рассказать, как росла мощь ускорителей, их размеры, как они постепенно превращались в своеобразных динозавров техники (нет, мы вовсе не хотим сказать, что, как и древние рептилии, ускорители вскоре вымрут!).

Только в книге достаточно большого объема можно было бы перечислить все типы ускорителей: ускорители линейные, циклические; все эти космотроны, фазотроны, микротроны, бетатроны, синхротроны, синхрофазотроны…

Вникнуть в тонкости ускорителей на встречных пучках.

Рассказать о новейших коллективных методах ускорения заряженных элементарных частиц. Поведать долгую историю совместных поисков физиков и инженеров. Но оставим все это до другого раза, будем говорить лишь о главном.

Возможно, когда-нибудь физикам удастся обнаружить и приручить монополи, эти однополюсные магнитики.

Тогда в ускорительном деле, видимо, произойдет подлинная революция. Ведь под действием сильных магнитных полей монополь мог бы приобрести огромную энергию на очень малых – десятки метров – расстояниях. Сейчас же для этого протону или электрону требуются километры пути.

Отчего так долог путь, а размеры ускорителей столь велики? Да потому, что частицы ускоряются в электрических полях (отсюда и стандартная единица измерения энергии ускоренных частиц – электронвольт, сокращенно эВ: энергия, приобретенная электроном при прохождении разности потенциалов в 1 вольт). А магнитное поле, не меняя скорости частиц, лишь формирует ее траекторию (обычно это спирали; разработка ускорителей современного типа началась с 1944 года, здесь очень велика заслуга советского академика В. Векслера (1907–1966), он предложил принцип автофазировки, который позволил поднять предел достигнутых энергий частиц сразу в тысячи раз!).

Электрическое поле слабенькое. А физикам сейчас нужны уже не мегаэлектронвольты, МэВ'ы (10 ⁶эВ) энергии, а гигаэлектронвольты, ГэВ'ы (10 ⁹эВ) и даже тераэлектронвольты, ТэВ'ы (10 ¹²эВ). Требуется все более мощная электронная и протонная стрельба (подсчитано, что энергия пучка протонов в современном ускорителе эквивалентна энергии снаряда весом в десятки килограммов, летящего со сверхзвуковыми скоростями). Обеспечить такие большие энергии слабым электрическим силам затруднительно: поневоле приходится все больше удлинять пути разгоняемых частиц – ускорители становятся все грандиознее.

В 1967 году, в канун 50-летия Советской власти, в городе физиков Протвине (он расположен вблизи Серпухова, там, где Московская область граничит с Калужской и где течет маленькая речка Протва. Это место было облюбовано физиками потому, что континентальный щит здесь ближе всего подходит к поверхности Земли, и тут проще всего было организовать защиту от вредных излучений), в Институте физики высоких энергий (ИФВЭ), был запущен на проектную мощность (позднее она была доведена до 76 ГэВ) Серпуховской ускоритель – кольцевой протонный синхротрон. До 1972 года (только тогда были введены в строй более мощные ускорители в Швейцарии и в США) он был крупнейшим из ускорителей.

А сейчас в Советском Союзе, в том же Протвине, строится уникальный ускорительно-накопительный комплекс ИФВЭ с расчетом на энергии до 3 ТэВ. Этой проблемой заняты коллективы многих институтов страны: Института физики высоких энергий, НИИ электрофизической аппаратуры, Радиотехнического института и других.

Длина ускорительного магнитного кольца вакуумной камеры нового синхротрона достигнет 20,772 километра!

Это больше, чем лента Садового кольца в Москве (длина кольца старого Серпуховского ускорителя – 1500 метров). В подземном туннеле, схожем с метро, диаметром 5 метров в 1990 году – срок пуска комплекса – посреди магнитов, размеры которых не могут отклоняться более чем на 25 микрон (хотя электромагнитные силы, создаваемые током в 6600 ампер, стремятся их деформировать), промчится протонный пучок. Его толщину с точностью до 1 миллиметра будут выдерживать 1200 специальных корректоров. Работой их, а также всего ускорительно-накопительного комплекса будет управлять электронный мозг: 85 мини-ЭВМ, около 500 микро-ЭВМ и несколько тысяч встроенных в аппаратуру микропроцессоров.

Но как ни грандиозно само по себе кольцо ускорителя, оно лишь малая часть всего сооружения. Рядом с ускорителем возводится энергокорпус и несколько экспериментальных залов, где разместятся многочисленные лаборатории, нафаршированные автоматическими системами для обработки фотографий с пузырьковых и искровых камер, отклоняющие магниты (их вес на старом ускорителе – 200 тонн!), высокочастотные сепараторы частиц и многое прочее.

Все эти экспериментальные залы, занимающие площадь в несколько гектаров, галереи и павильоны будут сплошь заставлены сложным электротехническим оборудованием, которое можно изготовить только на больших электротехнических и машиностроительных заводах. Во г почему все то, что создается вокруг ускорителя, требует финансовых затрат еще больших, чем стоимость самого ускорителя.

Современные ускорители, эти мастодонты науки, поражают воображение. Говорят, будто этот «микроскоп микромира» – просто прибор, только очень большого «роста». Прибор? Скорее это гигантский завод, фабрикующий элементарные частицы. Зачем нужны такие дорогостоящие махины?

Этот вопрос мы еще будем обсуждать. А пока остановимся и в знак нашего восхищения просто снимем перед экспериментаторами шляпу.