Текст книги "Охота за кварками"

Автор книги: Юрий Чирков

Приборы отбились от рук

В 20-е и 30-е годы камера Вильсона все еще была чудом науки. Но требования к измерениям возрастали. Ученые имели дело со все более быстрыми и, главное, короткоживущими частицами. И хотя целое поколение физиков билось над усовершенствованием детища Вильсона, преуспели тут мало.

Революцию в этом деле совершила изобретенная в 1952 году пузырьковая камера. Она справедливо стала сенсацией 60-х годов. С ее помощью был открыт и знаменитый омега-минус-гиперон, упрочивший славу М. Гелл-Мана и торжество кварковой гипотезы.

В двух словах пузырьковую камеру можно представить как камеру Вильсона «наоборот». Вместо капелек жидкости в пересыщенном паре теперь исследователи имеют дело с пузырьками пара в перегретой жидкости.

Жидкость мгновенно вскипает вдоль трека ионизирующей частицы и отмечает его гирляндой мелких пузырьков газа.

Когда пузырьки в камере достигают значительных размеров, камера освещается и следы (они имеют микронные толщины) фотографируются (стереофотосъемка с помощью 2–4 объективов). После фотографирования давление в камере поднимается до прежней величины, пузырьки при этом исчезают, и камера вновь оказывается готовой к действию. Весь цикл работы пузырьковой камеры составляет величину порядка 1 секунды.

Эволюция пузырьковой камеры – от рождения до наших дней – весьма примечательна и характерна. Методические усовершенствования шли гигантскими темпами: началось все с «сургуча и бечевки» (обычное выражение физиков, когда они хотят подчеркнуть, что в прошлом выводили законы с помощью самых простых средств), а закончилось дело тоннами и тоннами материала.

Примером современной установки может служить созданная во Франции для совместной работы с советскими физиками водородная камера «Мирабель», установленная на ускорителе Института высоких энергий АН СССР под Серпуховом. Ее объем 10 кубических метров, общий вес движущихся частей достигает 2 тонн, а стоит она миллионы. Создание подобных устройств – уже дело государственного и даже межгосударственного масштаба.

К чему такие гиганты? Они себя оправдывают, это легко доказать. Заполняющий камеру «Мирабели» жидкий водород представляет собой хорошую (простую и однородную) мишень для частиц, врывающихся в камеру из космоса или из «жерла» ускорителя. Тут пузырьковая камера решительно одерживает верх над ядерными фотоэмульсиями – этим винегретом из водорода, углерода, азота, кислорода, брома и серебра. (Работающие с ядерными эмульсиями физики всегда спорят о том, в какое именно ядро попала частица с высокой энергией.)

Достоинство большого объема камеры в том, что теперь можно следить за ядерными событиями – за последовательными этапами распада частиц – на протяжении многих метров, а также регистрировать очень редкие процессы (рождение кварков?), представляющие для науки огромный интерес.

Но гигантизм выставляет и свою оборотную, негативную сторону: обработать информацию, даваемую пузырьковой камерой, нелегко.

Дело прежде шло так. Сначала лаборанты просматривали все полученные фотографии и отбирали те из них, где достаточно много «вилок». Отобранные снимки поступали затем на измерительные микроскопы. Все увиденное приборами автоматически засылалось в память ЭВМ.

Но на изучение каждой фотографии даже современная электронно-вычислительная машина тратит немало времени. Вот и получается, что с помощью даже пузырьковых камер практически невозможно исследовать очень редкие события, которые случаются, скажем, раз за сто тысяч взаимодействий, вылетающих, к примеру, из ускорителя частиц с веществом камеры. И сейчас физики хотят совсем исключить человека из системы обработки поступающей из камеры информации. Автоматизировать все.

Да, созданные человеком приборы сами стали проблемой. И изумленный их быстрым ростом изобретатель пузырьковой камеры американский физик Д. Глейзер мог с полным основанием сказать: «Приборы стали очень большими, они отбились от рук…» Добавим еще, что, получив за свое изобретение Нобелевскую премию по физике в 1960 году, Д. Глейзер тут же в интервью журналистам заявил, что его научные интересы изменились: он покидает ядерную физику и отныне займется молекулярной биологией.

Поиск ведут кварколовы

Вооруженные современными приборами (а мы рассказали только о некоторых из них, стоило бы еще поговорить о сцинтилляционных и черепковских названы в честь советского физика, лауреата Нобелевской премии академика П. Черепкова – счетчиках, об искровой камере и других чудесах экспериментальной техники), физики продолжали поиски кварков.

Если протон действительно состоит из трех кварков, надо его расколоть, как орех, и сделать это можно при ускорении частиц на мощных ускорителях. Свыше 50 таких тщательных и остроумных экспериментов было поставлено. Но, увы, результат оказался нулевым.

Конечно, можно предполагать, что энергии ускорителей недостаточно. «Скорлупа», дескать, протона или нейтрона так толста, что разбить ее пока не удается. Что же, тогда стоило бы поискать кварки в космических лучах, где энергия частиц может быть практически любой.

Искали и в космических лучах, и поиски эти были отмечены драматическими моментами. Отдельные группы ученых уже считали, что ими пойманы частицы с дробными зарядами.

Счетчики американцев – группа Адейра – полгода (!) свидетельствовали о попадании в них кварков. А потом? Перестали свидетельствовать, и ведут себя так же и до сего дня.

К ловле кварков подключились и астрономы.

Есть звезды, излучающие частицы очень высокой энергии. Эти последние могли бы способствовать образованию заметного количества кварков. Надежда была на то, что при этом возникнут (правда, в небольших количествах) «кварко-атомы»: в них вокруг протона вращался бы уже не электрон, а отрицательно заряженный кварк.

Такие атомы должны излучать спектр, похожий на спектр водорода, но самая интенсивная линия этого спектра будет уже ультрафиолетовой (длина волны около 2750 ангстрем).

Астрономы надеялись, что так же, как столетие назад они обнаружили «солнечный газ» – гелий – сначала на небе (лишь потом гелий был открыт на Земле), так и кварки тоже окажутся «небесными пришельцами».

Астрономы надеялись, но сейчас, видимо, надежду потеряли.

И наше родное Солнце обмануло ожидания астрономов. В его спектре были обнаружены линии, которые хотелось бы приписать присутствию кварков, однако вскоре нашлось и другое, более простое и правдоподобное объяснение.

Ученые искали кварки и в ближнем космосе (изучались образцы лунных минералов, метеориты, исследованиями занимались космонавты на орбитальных станциях), и в совсем дальнем.

Думалось так: раз наша Земля, и Солнце, и Млечный Путь, все это результат сложной эволюции Вселенной, то, возможно, когда-то не было и протонов с нейтронами, а были только кварки. А уже потом из них образовалась материя, что окружает нас, но часть кварков – «реликтовые кварки» – не смогла воссоединиться в троицы.

Вот ловлей этих чудищ, сохранившихся в первозданном виде (они не смогли «выгореть» и превратиться в нормальные частицы), и занимались ученые.

К реликтовым кваркам следует добавить и те, которые могут образоваться, когда потоки космических лучей встречаются с веществом нашей планеты. Как ни малы тут шансы, все-таки Земля уже миллиарды лет подвергается воздействию космических лучей, если кварки существуют, они – как создания стабильные: распасться им уже не на что! – должны накапливаться в окружающем нас веществе.

Где искать кварки? В земной тверди, в воде океанов, в атмосфере?

Если доля кварков в веществе очень мала, их надо предварительно концентрировать. И были предложены разные проекты по обогащению океанической и иной кварковой «руды».

Химики и геохимики тоже включились в кварковые поиски. Надежда была на то, что кварки в принципе могут очень охотно соединяться с определенными химическими элементами. Не будут ли тогда залежи, в которых эти элементы встречаются особенно часто, и залежами кварков?

Исследовались и образцы осадочных отложений, взятых со дна океана: считалось, что массивные кварки должны скопиться там. Изучались даже раковины устриц, но и это не принесло желанного результата.

К стану кварколовов примкнули и биологи. Известно, что некоторые растения могут накапливать в своих тканях и клетках редкие элементы, рассеянные в окружающей среде в мизерных количествах (этой способностью отличаются, кстати, и многие представители фауны).

В северной Финляндии, например, есть лишайники, накапливающие стронций-90 (этот радиоактивный изотоп образуется при делении урана). Быть может, стоит поискать и растения – накопители кварков?

Предложений было немало. Попыток их реализации (конечно, наиболее активными были физики) также оказалось предостаточно. Но после завершения каждой такой акции неизменно звучал неприятный рефрен – «нет».

Это суровое слово, конечно, не перечеркнуло кварковой гипотезы, но и не способствовало укреплению ее позиций.

Правда, один положительный итог поиски кварков дали. Было совершенно точно установлено, что если свободные кварки и существуют, то концентрация их в веществе ничтожно мала: не превышает 10 ^-18-10 ^-20доли от общего числа протонов и нейтронов (по некоторым данным кварков еще меньше: 10 ^-24-10 ^-30!).

Космические разбойники

Тщательные поиски кварков ведутся вот уже два десятилетия. Большой для современной физики срок! Однако до сих пор никто уверенно ни одного кварка так и не «увидел».

Забавно, что пока физики-охотники «обшаривали окрестности», шла оживленная дискуссия о том, что означает само слово «кварк».

Вдруг обнаружилось, что его использовал И. Гёте.

В прологе к первой части «Фауста» Мефистофель говорит, что «бог сует свой нос во всякую дрянь». Звучит это по-немецки так: In jedem Quark begrabt er seine Nase.

Кроме того, оказывается, «кварк» также и творог.

В витринах молочных магазинов в странах, говорящих по-немецки, часто можно увидеть объявление: «Покупаем творог!» (Wir brauchen Quark!)

Не дремали и писатели. Фантасты, должно быть, завидуя славе Г. Уэллса, «открывшего» атомную бомбу за тридцать с лишним лет до Хиросимы, наперебой писали о кварковых бомбах.

Лингвистические и литературные дела шли успешно, а вот поиски физиков результатов не давали, что очень разочаровывало. В чем дело? Как объяснить неудачи?

Может быть, кварки живут столь мало, что никакие современные приборы не в состоянии их обнаружить?

Но, казалось бы, их даже сверхмимолетное присутствие должно было бы оставить какие-то следы: ядерные (уже долго живущие) продукты, разные излучения… Тогда, выходит, кварки вообще не существуют?

«Нет, – полагают сторонники существования кварков, – неоткрытие этих частиц – явление временное».

И в подтверждение этого своего мнения приводят различные исторические аналогии.

Ведь злословили же когда-то о кинетической теории газов, что молекулы-де только фикция и просто все происходит так, как если бы они существовали, но что в действительности-то их нет. Что это-де только понятия, которыми удобно пользоваться в химии и термодинамике.

Только много позднее эти «понятия» превратились в реальные молекулы и атомы.

И законы Г. Менделя были высказаны задолго до того, как гены были обнаружены и исследованы непосредственно.

О Г. Менделе (1822–1884) стоит поговорить немного подробнее.

Сын бедного австрийского священника, он был вынужден вступить послушником в августинский монастырь города Брюнна (ныне Брно, Чехословакия), был посвящен в священники, но никаких церковных обязанностей не исполнял, а занимался преподаванием наук и опытами по скрещиванию растений.

Г. Менделя интересовали две далекие друг от друга области – математика и ботаника. Ему нравилось возиться с растениями в монастырском саду, ибо с детства приобрел практические навыки в садоводстве.

Восемь лет неторопливо и тщательно этот странный монах скрещивал различные сорта гороха и терпеливо фиксировал результаты, подвергая их математической обработке. В 1865 году итоги работы были доложены в Брюннском обществе естествоиспытателей и опубликованы в «Записках» того же общества (1866).

Все это не вызвало никакого отклика в научном мире.

Не было ни дискуссий, ни просто вопросов к творцу новой науки. Чувствуя всю шаткость своего положения никому не известного любителя, Г. Мендель решил обратиться к светилам тогдашней ботаники. Его выбор пал на К. Негели. Однако тот лишь бегло проглядел работу, видимо, его, натуралиста старой закалки, оттолкнули математические выкладки. Ответ К. Негели был сухим и кратким.

При жизни Г. Менделя его выдающиеся, теперь классические, исследования не были по достоинству оценены, хотя не только К. Негели, но и другие крупные биологи знали о них. Ученый скончался, не подозревая о произведенном им революционном перевороте в научных взглядах. Лишь в 1900 году непонятная и забытая работа Г. Менделя привлекла всеобщее внимание. Сразу несколько исследователей – X. Де Фриз, К. Корренс и Э. Чермак – на собственных опытах убедились в справедливости выводов Г. Менделя. Но и тогда до экспериментального обнаружения генов – этих материальных носителей наследственности – все еще было очень далеко.

Сторонники существования кварков вспоминают и более близкие события. Скажем, такая частица, как нейтрино, возникла в физике так же, как и кварки, отнюдь не в результате ее экспериментального обнаружения.

Нейтрино «изобрел» швейцарский физик-теоретик В. Паули. Он сам не очень-то верил в свое открытие.

В письме участникам семинара в Тюбингене (1930 год) В. Паули сообщал о своей «отчаянной попытке» «спасти» закон сохранения энергии.

К новой частице физиков привели опыты с р-распадом.

Так называется самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием электрона. Количественные измерения показывали, что испускаемые ядрами электроны имели энергию самую разную, хотя вроде бы в этом процессе должно выделяться вполне определенное количество энергии. Похоже было на то, что энергия куда-то исчезала.

Интерпретируя эти эксперименты, многие физики (среди них были и видные ученые, например, Н. Бор) заговорили о возможном невыполнении закона сохранения энергии, до тех пор одного из основополагающих законов мироздания.

Стали говорить о том, что-де энергия сохраняется только в среднем, а не в каждом элементарном акте.

Но вот странность! Если энергия при β-распаде не сохраняется, то резонно было бы ожидать, что иногда энергии электронам будет не хватать, а иногда у них появится лишняя энергия. Так нет же! Выигрыша энергии у электрона никогда не наблюдалось. И В. Паули допустил, что вместе с электроном из ядра вылетает еще одна частица. Именно она, оставаясь незамеченной, уносит недостающую часть энергии.

Казалось бы, вопрос исчерпан. Эта гипотеза должна была бы сразу же прийтись по душе всем физикам, однако даже сам автор этого предложения говорил о безумии своей идеи, о том, что он предложил «что-то ужасное… нечто, что никогда нельзя будет проверить экспериментально». И верно, основания для подобных сомнений были, ведь масса и электрический заряд новой частицы обязаны были считаться ничтожно малыми, а то и вовсе равными нолю. Это свойство и дало повод итальянскому физику Э. Ферми окрестить частицу «нейтрино», буквально по-итальянски «нейтрончик», уменьшительное от уже известного тогда науке нейтрона.

Экстравагантность свойств нейтрино приводит к тому, что его взаимодействие с веществом пренебрежимо мало (на заряды оно не реагирует, а из-за ничтожности массы ему удается избежать и тенет сил тяготения). Поэтому зарегистрировать нейтрино чрезвычайно трудно.

И это при условии, что мы буквально купаемся в нейтринном море. Один только поток приходящих на Землю солнечных нейтрино необычайно велик около 10 ¹⁴частиц в секунду в расчете на каждого из нас; а есть еще нейтрино космического и земного (радиоактивность) происхождения.

Два десятилетия выдуманное теоретиком нейтрино героически боролось за свое реальное воплощение. И победило! В. Паули полагал, что при его жизни нейтрино не будет обнаружено, однако в 1955 году (за три года до смерти В. Паули) наблюдения нейтрино на ядерном реакторе – интенсивном источнике этих частиц – заставило большинство физиков поверить в эту частицу. А полное признание пришло только в 1959 году.

Сейчас позиции нейтрино в физике настолько прочны, что даже поэты начали слагать о нем стихи. Вот образчик нейтринной поэзии (отрывок из стихотворения Д. Апдайка «Космические разбойники»); неуловимость этих частиц, их способность к всепрониканию прежде всего, как видим, будоражит поэтическое воображение:

 
…Заряда не нужно,
не нужно вам массы,
Сквозь нашу планету
идете бесстрастно.
Что газ вам тончайший,
что толстые стены
Летите беспечно
в просторах Вселенной.
Как света фотоны
проходят сквозь стекла,
Так вы – через сталь,
через медь, через…
 

Для адвокатов кварковой гипотезы история научного становления нейтрино приходится как нельзя более кстати. «Нет, – настаивают они, – кварки не выловлены только потому, что сети у экспериментаторов, видно, с дырками. Или заброшены не там, где надо. А то и просто им не везет…»

Не везет? Значит, не все еще потеряно; счастье обязательно улыбнется физикам, так рассуждают оптимисты.

Но им возражают скептики, они твердят свое: дело не в счастье; если в пруду нет рыбы, то никакие, даже самые совершенные удочки и крючки не спасут: улова не будет.

Может, к их словам стоит прислушаться?

Приметы придуманы сыщиком

Неудачи с кварками охладили многих исследователей.

Раздались голоса, что кварки – всего лишь удобная абстракция, что, возможно, в 2000 году на вопрос, что такое кварк, физик лишь недоуменно пожмет плечами, так как теория кварков к тому времени уже будет полностью забыта. «Если из собаки «исходят» звуки лая, то это вовсе не означает, что она состоит из них, – рассуждают некоторые физики. – Так и «слышимый» в экспериментах лай кварков не стоит, право, принимать слишком всерьез!»

Чтобы подкрепить эту свою точку зрения, скептики также увлеклись историческими изысканиями. Они стали вспоминать случаи, когда предсказания теоретиков не только не были подтверждены экспериментами, но позднее на поверку оказались вздорными и были справедливо преданы забвению.

«Не каждая из выдумок теоретиков должна обязательно материализоваться: полагать так было бы слишком наивно. Вспомните, – настаивают они, историю теплорода (жидкости, якобы переносящей тепло от тела к телу) и флогистона – этого гипотетического начала горючести. С их помощью в XVIII веке прекрасно объясняли очень многие явления – от горения тел до их нагревания и охлаждения».

Теория теплорода была прекрасно разработана. С. Карно в 30-х годах прошлого века с помощью понятия теплорода создал, как известно, теорию паровых машин. Тем не менее после того, как в сознании физиков укрепилось понятие о законе сохранения и превращения энергии, теплород был отброшен и забыт. О флогистоне забыли еще раньше.

История науки знает и еще более убедительный пример. Столетиями укреплялось и развивалось представление о мировом эфире, который якобы заполняет пространство и служит средой для распространения электромагнитных волн. Никто и ни в каком опыте не обнаруживал присутствия эфира, но без него, казалось, никак нельзя было объяснить распространение света и другие важные электромагнитные явления.

Свойства эфира описывали, старались определить его плотность, некоторые крупные ученые вычисляли вес атомов эфира. Но теория относительности навсегда отбросила эту гипотезу.

А между тем все факты и наблюдения, которые заставляли признать реальность существования классического эфира и вроде бы неопровержимо «доказывали» его присутствие, остались. Они только получили новое объяснение.

«Как и эфир, кварки – плод умственных спекуляций, – продолжают скептики, – ведь нет пока ни одного эксперимента, который однозначно требовал бы их реального существования. Разговоры о кварках – это дележ шкуры неубитого медведя. И давайте говорить не об охоте и о рыбной ловле, а лучше уподобим физиков-экспериментаторов инспектору-детективу. С точки зрения детективной истории о преступнике-кварке известно многое, если не все: заряд, спин и целый ряд других характеристик-примет. Бывало, ученые находили частицы, зная о них значительно меньше. И если рассуждать в таком ключе, то, видимо, следует честно признать: на сей раз приметы преступника (кварки) оказались придуманы самим сыщиком! Классификация элементарных частиц на кварковой основе, несомненно, очень удачна и полезна, соглашаются критики, – но искать в природе сами кварки ей-ей не стоит…»

Пока идут эти пререкания и споры (ведутся они и в наши дни), стоило бы вспомнить слова Э. Хемингуэя.

Вот что он писал в повести «Зеленые холмы Африки»:

«Настоящий охотник бродит с ружьем, пока он жив и пока на земле не перевелись звери, так же как настоящий художник рисует, пока он жив и на земле есть краски и холст, а настоящий писатель пишет, пока он может писать, пока есть карандаши, бумага, чернила…»

Добавим к этому: настоящий ученый не занимается спорами, а продолжает поиски. Разрабатывает все более совершенные методы для ловли кварков.

Так, в частности, в одной из недавних научных работ предложено воздействовать на поток капелек электростатической силой. Отклонение каждой капельки от первоначальной траектории пропорционально ее электрическому заряду. Поэтому капельки с дробным зарядом могут быть отделены от остальных.

А главное тут: при помощи этого способа можно исследовать тысячи (интенсификация поисков кварков!) капель в секунду.

* * *

Эта глава подошла к концу. Мы видим, что ядерное сафари пока успехом не увенчалось. Непойманные кварки остаются величайшей загадкой физики наших дней.

В чем тут дело? Может, в том, что мы еще плохо понимаем общие законы природы, правила ее игры? И поэтому стучимся в намертво заколоченные двери? Возможно, так.

И есть смысл сейчас поговорить об общих основаниях физики, о том, как эта наука в целом представляет себе окружающий нас мир.