Текст книги "Охота за кварками"

Автор книги: Юрий Чирков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 19 страниц)

Из пушек – по воробьям

Удивительно, как быстро освоили физики новые понятия.

Еще вчера они отрицали электрон, а сегодня (первые годы XX века) начали подыскивать для него местечко внутри атома.

Ход рассуждений был таков. Атомы электрически нейтральны. Если в них содержатся электроны, то там должны быть запрятаны и еще какие-то положительно заряженные сущности, которые нейтрализовали бы суммарный отрицательный заряд электронов. Отсюда естественным путем и возникла первая модель атома – модель «пудинга с изюмом». Ее предложил в 1903 году все тот же Дж. Томсон.

По Дж. Томсону, атом представлял собой положительно заряженную сферу с вкрапленными в нее (как изюм в пудинге) незначительными по размеру – в сравнении с атомом – электронами. Предполагалось, что силы притяжения положительно заряженной сердцевины атома уравновешиваются силами их (электронов) взаимного отталкивания.

В те же годы были выдвинуты и другие представления о структуре атома.

В 1901 году французский физик Ж. Перрен (1870–1942) в статье «Ядерно-планетарная структура атома» рассуждал о том, как электроны-планеты кружатся по орбитам вокруг положительно заряженного ядра-Солнца.

Ж. Перрен был известным популяризатором науки (его книга «Атомы», 1913 год, стала классической и воспитала не одно поколение). Образы, сравнения давались ему легко; модели, аналогии быстро соскальзывали с кончика его пера. Гораздо труднее было обосновать, экспериментально доказать правильность тех пли иных моделей.

Спор Дж. Томсона и Ж. Перрена решил опыт. Физики прибегли к средству, которое впоследствии принесло им столько побед – они занялись атомной стрельбой по атомным же мишеням. Руководил этой пальбой Э. Резерфорд (1871–1937).

Сын шотландца, эмигрировавшего в Новую Зеландию и ставшего там фермером, Э. Резерфорд поступил в Новозеландский университет. Еще студентом заинтересовался он беспроволочным телеграфом и построил детектор электромагнитных колебаний. Это дало ему право на поездку в Англию в Кавендишскую лабораторию, которой руководил Дж. Томсон.

Момент был драматическим. Э. Резерфорд был вторым кандидатом. Английским стипендиатом мог стать и не он.

Однако – к великому счастью для пауки – первый претендент решил жениться и остаться в Новой Зеландии.

Рассказывают, что эти новости настигли Э. Резерфорда, когда он выкапывал картошку на ферме своего отца.

Отбросив лопату далеко в сторону и заявив: «Это последняя картошка, которую я выкопал», Э. Резерфорд отложил свою собственную женитьбу – он был помолвлен – и уехал в Англию.

Дж. Томсон вскоре вполне оценил громкий голос, не очень вежливые манеры новичка и его (сам метр был неважным экспериментатором) очень ловкие в работе руки.

Первые исследования Э. Резерфорд а были посвящены радиоактивности. Именно он дал название альфа (а)-, бетта (р) – и гамма (у) – лучам, ввел период полураспада радиоактивных элементов, доказал, что альфа-лучи представляют собой ионизованные (лишенные двух электронов) атомы гелия.

Э. Резерфорд действовал в науке стремительно и плодотворно. В 1908 году он был удостоен Нобелевской премии, но не по физике, а по химии. Ученый негодовал, возмущался: он был физиком, что называется, с головы до ног и старался совсем не совать свой нос в химию.

И вдруг такое!.. И если его что-то и утешало, так это быстрые успехи в атомной стрельбе.

С 1906 года лорд Нельсон (позднее, в 1931 году, за научные заслуги Э. Резерфорд получил этот громкий титул), действующий совсем в духе прославленного английского флотоводца, организовал систематический обстрел атомов. Снарядами были α-частицы, мишенью – металлические экраны из фольги.

Результаты этих исследований вскоре потрясли научный мир, хотя все это было похоже на стрельбу из пушек по воробьям!

Действительно, подавляющее большинство атомных снарядов с легкостью пролетало сквозь толстенный слой золотой фольги (толщиной в несколько тысяч атомов), как если бы она была прозрачной, и регистрировалось на фотопластинке, помещенной за экраном. Следовательно, атом в целом представляет собой весьма рыхлое образование с множеством пустых областей. (Так ученик опроверг модель своего учителя Дж. Томсона.)

Однако, к удивлению Э. Резерфорда, отдельные α-частицы искривляли свою траекторию заметным образом.

Некоторые даже поворачивали назад! «Как если бы я увидел 16-дюймовый снаряд, отскочивший от листа газетной бумаги» – так комментировал свои опыты экспансивный Э. Резерфорд. Он же дал и верную интерпретацию этому явлению. Вывод мог быть только один: частицы-пробники сталкивались с чем-то очень массивным, непроницаемым и заряженным положительно.

Так Э. Резерфорд в 1911 году открыл у атома ядро.

Атомно-артиллерийские залпы раздробили-таки атом, подтвердив верность планетарной модели Ж. Перрена.

Атом теперь можно было разбирать на части: ядра и электронные оболочки. И еще в атоме было преизобилие пустоты, того вакуума, о котором первым заговорил Демокрит.

Электроны способны перемещаться относительно ядра.

Они «размазаны» по пространству. Потому-то атомы и выглядят твердыми материальными образованиями. Но все это видимость, мишура. Легко показать, что пустота отвоевала себе в атоме львиную долю объема.

Размер атома 10 ^-8см, его объем 10 ^-24см ³. Те же величины для ядра (следствие опытов и расчетов Э. Резерфорда): 10 ^-12см (размер ядра) и 10 ^-36см ³. Так что на долю ядра в атоме приходится только 10 ^-36/10 ^-24= = 10 ^-12часть (!), где и сконцентрировано 99,9 процента всей массы атома.

Так вакуум еще раз, и очень весомо, напомнил о себе.

«Зоологический» период

Две тысячи лет понадобилось науке, чтобы удостовериться в том, что все вещества состоят из молекул. Еще через 200 лет ученые низвели молекулы до атомов, разъяв и их на составляющие. А всего примерно 20 лет спустя они осознали, какое скопище частиц скрывается под атомной оболочкой.

В 1914 году Э. Резерфорд подверг обстрелу электронами водород. При этом нейтральные атомы становились положительно заряженными. Ученый отождествил их с положительным зарядом, находящимся согласно ядернопланетарной модели Ж. Перрена в центре атома водорода. Так был открыт протон. Имя ему дал Э. Резерфорд.

Дальше – больше: в 1930–1932 годах тот же лихой артатомообстрел выбил из недр ядра новую частицу – нейтрон (он подобен протону, но лишен заряда, «нейтрум» по-латыни значит «ни то, ни другое»). Тогда же (1932) советский физик Д. Иваненко выдвинул гипотезу – она вскоре была подтверждена и общепринята, – что все атомные ядра состоят из протонов и нейтронов.

Наконец-то смысл таблицы Менделеева стал абсолютно ясен. Количество протонов в ядре и равное ему количество электронов на орбитах определяет тип атома, его точное место в таблице Менделеева. Суммарное же количество протонов и нейтронов в ядре обусловливает атомную массу.

На радостях физики собрались за праздничным столом. Однако заздравные тосты – славили стройность картины мироздания! – то и дело прерывали все новые и новые сообщения об открытии нежданных, казалось бы, даже лишних, непрошеных элементарных частиц.

Этот «бум» открытий требовал все новых имен. В спешке частицы сылп называть просто буквами. Так возникли А-частицы, Z-частицы и многие другие.

Позитрон, нейтрон, мю-, пи-, ка-мезоны, дельта-барионы, омега-гипероны, антипротон, антинейтрон, кси-минус-гиперон, анти-снгма-мииус-гиперон, многочисленные резонансы, о которых ученые долго спорили, считать ли их за элементарные частицы или нет, семейство пси-частиц…

Получилось, что в шутливом лозунге из фильма М. Ромма «9 дней одного года» (А. Баталов и И. Смоктуновский играли в нем физика-экспериментатора и физика-теоретика) – «Откроем новую частицу в третьем квартале!» – был вполне реальный смысл. Ведь примерно за 30 лет, считая с послевоенного 1945-го, в среднем в мире открывали одну частицу в месяц!

Было отчего сойти с ума. Демографический взрыв народонаселения на планете сопровождался «демографическим взрывом» и в ядерной физике. Число элементарных частиц достигло к 1974 году двух сотен – примерно в два раза больше, чем элементов в таблице Менделеева!

Раздраженные, огорченные неудачей многочисленных попыток как-то систематизировать ораву элементарных частиц, навести тут хотя бы относительный порядок, физики назвали это смутное время «зоологическим» периодом. (Об этой черной полосе ядерной физики и вспоминал в начале этой главы Д. Блохинцев.)

В те времена какой-то весельчак подсчитал, что с 1911 года число элементарных частиц удваивалось каждые 11 лет (средний период солнечной активности!). Он же отметил, что точно так же (лишь немного медленнее, всего на 1 процент) растет и численность физиков. Но тогда получалось (задача на сложные проценты), что через 13 тысяч лет на Земле будет ровно столько физиков, сколько открыто будет к тому времени элементарных частиц. И каждый физик станет специализироваться на своей собственной частице, и каждый будет прославлен.

Но ученые смеялись сквозь слезы: «элементарными» можно назвать три, пять, ну, десяток микрообъектов, не больше! Счет же на сотни означал одно: физика элементарных частиц переживает кризис. Теперь необходимо было уже не открывать новые частицы, а «закрывать» старые.

Джойс

А теперь стоит немного рассказать о человеке, который, не будучи физиком и совершенно не помышляя об этой науке, тем не менее оказался с нею связанным и даже помог дать название этой книге. Речь пойдет об ирландском писателе Д. Джойсе (1882–1941).

Родился он в Дублине, столице Ирландии, где также появились на свет О. Уайльд, Б. Шоу, поэт Б. Йитс.

Окончив Дублинский университет, в 1904 году Д. Джойс навсегда покинул родину, жил в Италии, Швейцарии, Париже.

В творчестве Д. Джойса нас будет интересовать лишь его последний роман – «Поминки по Финнегану», с подзаголовком «Жизнь человека ночью», которому он отдал 17 лет труда (тяжелого еще и потому, что зрение писателя катастрофически ухудшалось). Публиковался роман по частям в журналах под названием «Работа движется», окончательно увидел свет в мае 1939 года.

Содержанием этого произведения стали сновидения центрального персонажа Ируикера, хозяина одного из дублинских трактиров. Он засыпает после тяжелого субботнего вечера в своем заведении, где продавал посетителям пиво и виски.

Сон трактирщика – повод для Д. Джойса средствами сна проиграть всю предысторию и историю человечества, которая, по его мнению, кругообразна, циклична и потому не имеет ни начала, ни конца.

Роман отличается характерной для сна непоследовательностью, провалами в цепи развития событий, необыкновенными превращениями: так, четыре стены в спальне Ируикера говорят голосами четырех евангелистов, мертвые воскресают и т. д.

Здесь много комических эффектов, буффонады, ирландского фольклора. В частности, в романе использована баллада, где поется о Тиме Финнегане, каменщике, который упал со стропил и разбился насмерть. Друзья стали справлять по нем поминки. Но кто-то из них разбил бутылку виски, брызги попали в лицо Тиму, он ожил и пустился в пляс…

«Поминки по Финнегану» окончательно утвердили за Д. Джойсом (в западной критике) репутацию самого дерзкого писателя-экспериментатора. Особенно хвалят язык романа.

Д. Джойс полагал, что язык сновидения должен быть универсальным, поскольку во сне-де человек переступает национальные и языковые границы. Посему писатель собрал все европейские языки и попытался слить их воедино.

Как при строительстве Вавилонской башни, в романе царит смешение всех наречий, есть следы и русского языка – в реке Лиффи полощут белье pratschkats (прачки). Мелькают в тексте и модные слова: тоталитарный, наци, гестапо.

Один комментатор Д. Джойса заметил, что язык романа мог бы пригодиться в ЮНЕСКО в момент какой-нибудь невообразимой суматохи.

Неудивительно, что книга ни разу не была переведена полностью. Более того, даже по-английски роман нельзя читать без специальных «ключей» объемистых книг, в которых текст расшифровывается как криптограмма.

Есть идеалисты, которые читают этот роман вот уже добрые десятки лет в надежде найти его разгадку. В США, где Д. Джойс особенно популярен, выходят огромные статьи, которые порой посвящены истолкованию лишь одного какого-нибудь абзаца романа.

Д. Джойс добился своего – он полностью оборвал связи между писателем и читателем. О романе не стоило бы так подробно говорить, если, на удивление, его дух, весь строй не были бы столь созвучны тому, что ныне происходит в физике микромира.

Вольтеровский Микромегас полагал: чем тело меньше, тем меньше у него свойств. Однако с частицами микромира так не получилось. Атом демонстрирует свою неисчерпаемость: элементарные частицы обладают такими противоречивыми, удивительными, странными, поражающими свойствами, что их впору отождествить с персонажами последнего романа Д. Джойса.

В самом деле, частицы могут отличаться массой, временем жизни, электрическим зарядом, лептонным зарядом, спином, изоспином, пространственной четностью, зарядовой четностью, странностью, спиральностью, способом распада, форм-фактором, магнитным моментом, силой взаимодействия с другими частицами и т. д. и т. п.

А ведь завеса микромира только недавно начала приоткрываться!

Вот эта фантасмагория свойств микромира и роднит его с вселенной, созданной воображением ирландского писателя.

И все же Д. Джойс был бы несказанно удивлен, если бы узнал, что четверть века спустя после его смерти одно из придуманных им словечек кварк – перекочует в словарь физиков и станет наиболее популярным словом в субъядерной физике, знаменем этих исследований.

В изложении для пешеходов

Слово «кварк» ввел в науку американский физик-теоретик М. Гелл-Ман (родился в 1929 году в Австрии, в 1944-м его родители перебрались в США). М. Гелл-Мана, как и других физиков, беспокоила неразбериха и толчея, наблюдавшиеся в мире элементарных частиц.

Вооружившись соображениями симметрии, законами сохранения и новейшей математикой, физики-теоретики принялись раскладывать «пасьянсы» из элементарных частиц, тасуя, перекладывая их и так и этак. Обнаружилось: многие частицы могут быть сгруппированы в семейства, близкие по своим основным свойствам.

Гак, к примеру, если учитывать лишь главные характеристики – спины, барионные заряды, близость массы, внутреннюю четность, – закрывая глаза на некоторые различия, то 8 частиц: протон, нейтрон и гипероны Л°, Z+, Z°, Z-, E°, Е~ могут быть объединены в одно семейство барионов (октет) со спином 1/2 и положительной четностью. Подобные группы частиц получили название супермультиплетов.

Нашлась и довольно абстрактная математика, «узаконившая» подобную классификацию: раздел теории групп, известный под названием группы Ли (С. Ли – норвежский математик, живший в прошлом веке).

Математика допускала существование разных наборов частиц: из одной, трех, шести, восьми, десяти и т. д. Физики же наблюдали лишь синглеты (одна частица), октеты (восьмерки) и дециметы (десятки). Эту прихоть природы надо было объяснить.

И вот в 1963 году одновременно и независимо, находясь даже на разных континентах – один в Америке, другой в Европе, – теоретики американец М. Гелл-Ман и австриец Г. Цвейг, чтобы устранить противоречие, высказали гипотезу о существовании трех фундаментальных субъядерных частиц, различными комбинациями которых и является большинство элементарных частиц.

Только в вопросе, как назвать эти «детальки» микромира, М. Гелл-Ман и Г. Цвейг разошлись. Американец, большой, видимо, почитатель творений Д. Джойса, в поисках подходящего имени для новых частиц, возможно, начал перечитывать роман «Поминки по Финнегану» в наткнулся на то место, где дублинский трактирщик возомнил себя королем Марком, персонажем средневековой легенды.

Королю кажется, что его племянник Тристан украл у него жену, прекрасную Изольду. Марк преследует похитителя на корабле. В небе над парусами кружат чайки (которые, впрочем, может быть, вовсе не чайки, а судьи).

Они зловеще кричат-каркают: «ТРИ КВАРКА ДЛЯ МИСТЕРА МАРКА!»

Короля мучают кошмары, а чайки все повторяют: «ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА…»

Слово «кварк» перекочевало со страниц романа Д. Джойса в мир элементарных частиц легко и естественно. Скорее всего в этом отрывке М. Гелл-Мана привлекало то, что число кварков было именно три. Столько, сколько и требовала теория.

Пришлось по вкусу ученому и само слово «кварк» звучное, диковинное, абсолютно незатасканное в других употреблениях.

Итак, М. Гелл-Ман выбрал слово, и оно пришлось к месту. Г. Цвейг же был менее удачлив. Он назвал гипотетические субчастицы, претендующие на роль истинных кирпичиков праматерии, «тузами». Эта картежная терминология оказалась не столь привлекательна (тузов-то 4!), теперь о ней почти никто не вспоминает.

А кварки прижились. Удивляло и радовало, что всего трех кварков было достаточно, чтобы конструировать из них – словно это детские кубики огромное число открытых к тому времени элементарных частиц.

И вновь раздались победные клики в стане физиков.

Казалось, наступила долгожданная пора, когда можно было «закрыть» большинство элементарных частиц за ненадобностью: ведь они были составными!

В 1965 году в журнале «Успехи физических наук» академик Я. Зельдович пишет статью «Классификация элементарных частиц «в изложении для пешеходов». Уже само название подчеркивало: теперь тонкости микромира можно просто и ясно объяснить любому встречному, даже ребенку.

Академик писал в статье, что, возможно, физики добрались до атомизма нового типа, вскрыли, так сказать, новый пласт материи. Что создано нечто вроде новой таблицы Менделеева, только уже на субъядерном уровне.

Тон статьи был мажорный, радостный. «Современный физик имеет полное право повторить строки Ф. Тютчева», – писал Я. Зельдович, и цитировал их:

 
Счастлив, кто посетил сей мир
В его минуты роковые:
Его призвали всеблагие,
Как собеседника на пир;
Он их высоких зрелищ зритель,
Он в их совет допущен был
И заживо, как небожитель,
Из чаши их бессмертье пил.
 

Омега-минус-гиперон

Не следует, однако, думать, что концепция кварков была сразу встречена физической общественностью с распростертыми объятиями. Вовсе нет! Как и все действительно новое и оригинальное, поначалу кварки были встречены в штыки. Научные журналы даже отказывались публиковать эту модель. Работы, где фигурировали тузы и кварки, казались не более чем теоретическим фокусом.

Всего более поражало в кварках то, что они обязаны были обладать… дробным зарядом! Вот этот психологический барьер физикам было труднее всего преодолеть.

Как же так? До этих пор считалось само собой разумеющимся, что заряд электронов (или равные ему с обратным знаком заряды протона или позитрона) – это и есть наименьшая возможная порция электричества, нерушимая, казалось, и неделимая. Но кварки потому и кварки, что для них невозможное стало возможным: одному из кварков совершенно необходимо было приписать заряд плюс ⅔, двум другим кваркам – заряд минус √s.

Первоначально упоминание о дробях как о частях прежде неделимого электрона просто шокировало. Мерещилось нечто вроде полсобаки или собачьего хвоста, лапок, живущих самостоятельной жизнью. Вспоминался и гоголевский Нос, разгуливающий по Невскому проспекту микрофизики.

Понадобилось некоторое время, чтобы ошеломленным физикам кварки стали напоминать уже не тявкающий хвост, а нечто гораздо более тривиальное маленькую (меньше, чем электрон!) собачку, и все. Почему бы ⅓ заряда электрона (на данном этапе развития физики) и не быть самым крохотным зарядом? Почему не предположить, что в электроне как раз и собралась троица таких необычных электрических элементов?

Кстати, заметим, кроме кварков, должны существовать еще и антикварки. Поэтому полный спектр кварковых зарядов есть +⅓ и – ⅓, +⅔ и – ⅔.

Надо понимать еще и то, что кварки меж собой различаются не только зарядами, но и другими свойствами.

Поэтому главной троице кварков, кроме общей «фамилии», следовало – и это было сделано – присвоить и отдельные «имена».

Правда, имена эти пока еще не отстоялись окончательно: называют кварки по-разному: говорят о р-, п-, λ-кварках (от слов «протон», «нейтрон» и «лямбда-частица»). Их обозначают и как u, d и s (первые буквы слов up верхний, down – нижний, strange – странный). Еще – совсем в духе Д. Джойса! – кварки называют парком (р), нарком (n) и ларком (λ).

В этих именах-обозначениях очень красиво выглядят наши старые знакомцы протон (Р) и нейтрон (N) – будем обозначать их большими буквами, чтобы отличать от кварков (строчные буквы). По классификации М. Гелл-Мана и Г. Цвейга:

Р = ppn и N = pnn.

Схема кварков легко и просто объясняет, почему заряд протона единичный и положительный (+1), а у нейтрона заряд нулевой (0). Непосредственная проверка дает для протона (смотри только что приведенные выше равенства):

(+⅔) + (+⅔) + (-⅓) = +1

А для нейтрона имеем:

(+⅔) + (-⅓) + (-⅓) = 0.

Из кварков конструируются и наблюдающиеся в природе – об этом говорилось выше – синглеты, октеты и дециметы элементарных частиц. Так, группа из десяти частиц в кварковом «изображении» будет иметь такой вид:

_____________λλλ_____________.

________рλλ_______nλλ________.

____ррλ_____pnλ_______nnλ____.

ppp____ppn_______pnn______nnn.

Секрет построения этой пирамиды донельзя прост.

Мы последовательно перебираем все возможные комбинации троек, состоящих из элементов р, п и λ. Каждая из троек представляет собой элементарную частицу: в обычном – не кварковом – изображении мы получим такую таблицу:

__________________Q-__________________.

__________Z0*____________Z-*__________.

_____Z+*_________Z0*_________Z-*______.

_Д+*______Д+___________Д0________Д-__.

Это эквивалент первой пирамиды, где знаками плюс, минус и ноль обозначены заряды элементарных частиц, а звездочки говорят о том, что помеченные ими частицы «возбужденные».

Не будем больше анализировать кварковые конструкции. Отметим лишь, что вершину указанных пирамид венчает омега-минус-гиперон и что в момент, когда эта частица «родилась» на бумаге (1963), было известно: λ – резонансы и возбужденные частицы действительно обнаруживаются в экспериментах, а вот λ~ никто не наблюдал. Так что предсказание омега-минус-гиперона стало двойным вызовом: и экспериментаторам – ищите! и теоретикам – если такой частицы нет, плохи ваши дела!

Теоретики сказали свое слово, и им оставалось просто ждать, а вот экспериментаторы немедленно принялись за дело.

И научное чудо свершилось. В 1964 году омега-минус-гиперон была обнаружена.

Теория кварков и М. Гелл-Ман оказались правы: 2~– частица существовала! Успех был полным.

В 1969 году М. Гелл-Ман стал нобелевским лауреатом.