Текст книги "Охота за кварками"
Автор книги: Юрий Чирков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 5 (всего у книги 19 страниц)
3
В поисках простоты
Пусть все дела ваши будут как два или три, а не как сотня или тысяча; вместо миллиона считайте до полдюжины и все свои расчеты ведите на ногте большого пальца.
Генри Дэвид Торо. Уолден, или Жизнь в лесу.
Простота, простота и еще раз простота!
У человека на каждой руке всего лишь пять пальцев.
Не дюжина, не сотня! У всех цветков яблони пять лепестков. И вообще над живой природой явно довлеет «магия пятерки»: пять органов чувств, пятилучевая симметрия у иглокожих, пять пар конечностей у многих насекомых…
Пять ли, два (самцы и самки у высших животных, третьего пола нет!), семерка ли (с этим числом у человека недаром связаны многие суеверия и фольклорные образы) не суть важно, отметим другое – природа оказывает явное предпочтение малым числам перед большими. Она как бы стремится к наивозможной простоте.
То же в природе неживой (а нас интересует физика).
Сортов зарядов только два: положительные и отрицательные. Обратная пропорциональность квадрату расстояния величин гравитационного и электрического взаимодействий. Трехмерно пространство, в котором мы существуем. Вновь похоже, что Природа, следуя совету Г. Торо, ведет свои расчеты на ногте большого пальца. Всячески избегает громоздкости больших чисел.
Что это: случайность или закон? Глубинное качество материи, упрятанное под многими слоями внешне кажущихся хаотическими нагромождений? Просты ли законы природы или же сложны?
Попробуем в этом хотя бы немного разобраться.
Нити в гобелене
Кто-то из ученых сравнил физику с лоскутным одеялом, где лоскутки-закономерности пригнаны друг к другу кое-как, наспех, где проглядывают связывающие эти «заплатки» ниточки самых неподходящих (черное на белом!) цветов. Да, такое впечатление может произвести природа на профанов. А вот профессионалы знают: сквозь этот сумбур и мельтешение отчетливо виден лик Простоты.
Вещество связывают в ядра, атомы, предметы, горы, планеты, галактики всего лишь четыре вида основных сил. Силы электромагнитные, гравитационные силы, силы сильные и силы слабые.
Тяготение, определяющее структуру космоса, и электромагнетизм, благодаря которому в наших приемниках звучит музыка и светятся экраны телевизоров, известны человеку сравнительно давно. Но лишь в начале нашего века благодаря успехам атомной физики были открыты еще два фундаментальных взаимодействия – сильное и слабое.
Для тяготения и электромагнетизма характерно дальнодействие – потому их так быстро и распознали. Власть этих сил простирается до безмерных далей, теряющихся в космических глубинах.
Иное у ядерных сил (силы сильные и силы слабые).
«Руки» у них коротки. Им по плечу только малые субъядерные расстояния. Сильные силы обусловливают целостность атомных ядер и частиц. Они связывают между собой протоны и нейтроны в атомном ядре и кварки внутри протонов и нейтронов. А вот силы слабые наоборот – именно они ответственны за развалы ядер и частиц.
Именно их стараниями в мире элементарных частиц целое распадается на части. Приведем только один, но важный пример могущества слабых сил. Если бы удалось «выключить» слабые силы, то погасло бы Солнце, ибо «выгорание» содержащегося в светиле водорода, его превращение в гелий прекратилось бы.
Итак, миром правят четыре силы. Но насколько различными они кажутся внешне! Взять хотя бы их величину.
Примем самые мощные из четверки сил – сильные взаимодействия – за мерило, за единицу. Ею будет величина сил, притягивающих друг к другу два протона-соседа Тогда электромагнитные силы, отталкивающие те же протоны (одноименные заряды отталкиваются), будут примерно в сто (10 -2) раз слабее.
Еще меньше – в 10 -5раз – слабые взаимодействия (слабые силы). И уж совсем ничтожны силы тяготения: они слабее сильных в 10 -39раз.
Как это представить? Если бы электроны были привязаны к атомному ядру не электричеством, а гравитацией, то атом водорода – самый маленький из атомов – был бы больше всей нашей (видимой человеку) Вселенной!
Всего четыре основных взаимодействия наблюдается н природе – как это все напоминает взгляды древних.
Горячее и холодное, сухое и влажное. Эти две пары противоположных характеристик неизменно приписывались тем основополагающим элементам, из которых, как полагали в античном мире и в средневековье, состоит весь окружающий мир – горячий, сухой огонь; горячий, влажный воздух; холодная, влажная вода; холодная, сухая земля.
Но гораздо удивительнее, пожалуй, другое совпадение. Согласно древнеиндийским Ведам четыре первоэлемента – воздух, огонь, вода, земля обязаны своим происхождением так называемому «акаша», имеющему, видимо, смысл первородного «пространства» или, что понятнее физикам, чего-то напоминающего мировой эфир.
Так рассуждали многие тысячелетия назад древние мудрецы. И удивительно схожим образом рассуждают современные ученые. По новейшим воззрениям физиков, об этом сейчас будет речь, четыре главные силы природы, как четыре основные нити в прекрасном, созданном руками искусного художника гобелене, всего лишь различные проявления одной основополагающей силы природы, одного основного начала.
Великое, затем – суперобъединение
В истории физических теорий прослеживается упорная тенденция к унификации.
Первый шаг сделал И. Ньютон (1643–1727). Он показал, что один и тот же закон управляет и полетом снарядов, и перемещением планет. Обстоятельство это отнюдь не самоочевидно: интуитивно мы воспринимаем очень большие и очень малые тела (скажем, Солнце и яблоко) весьма различно. Поэтому во времена И. Ньютона тот факт, что одни и те же закономерности описывают и движение звезд, и движение колесиков часового механизма, воспринимался как откровение.
Быстрый и бесспорный успех механики Ньютона привел к тому, что эта наука о силах и движении была принята как основа физики в целом и вообще для всех естественных наук. В любом феномене прежде всего искали «механизм» и «движущие силы». Этот принцип пытались также применить к электрической и магнитной силам, которые вначале воспринимались как совершенно разнородные явления. Понадобился гений Дж. Максвелла (английский физик, 1831–1879) для осознания того, что законы электромагнетизма нельзя вывести из законов механики.
Позднее этот же ученый объединил электрические и магнитные явления. Предпосылкой для объединения этих, казалось бы, разнородных сил послужил изящный опыт, выполненный датским физиком X. Эрстедом.
Эксперимент X. Эрстеда (1820 год) был восхитительно прост. Ученый поднес к проводнику, по которому шел электрический ток, обыкновенный магнитный компас.
И стрелка компаса отклонилась: электричество порождало магнетизм!
Вот так постепенно шел поиск того малого числа нитей, из которых соткан «гобелен» мироздания.
В начале XX века еще полагали, что в природе существует только два фундаментальных взаимодействия – гравитационное и электромагнитное. И А. Эйнштейн (1879–1955) захотел их объединить. Опирался он на идею геометризации физического описания явлений природы, что блестяще оправдало себя при построении общей теории относительности. Показав, что тяготение можно рассматривать как геометрическое свойство пространства-времени, связанное с его кривизной, ученый попытался найти и другую его геометрическую характеристику, которая могла бы проявлять себя как электрический заряд.
На это ушла большая часть второй половины жизни А. Эйнштейна. К сожалению, результаты (были у A. Эйнштейна и последователи, воздвигшие красивые математические конструкции) оказались малоубедительны.
И все же до последних дней жизни он сохранил твердую веру в конечную простоту основных законов природы.
Вот его слова: «Наш опыт убеждает нас, что природа – это сочетание самых простых математических идей». И еще: «Бог ни за что не упустил бы возможности сделать Природу такой простой».
Отношения А. Эйнштейна к простоте были особыми.
И свою личную жизнь он – совсем в духе Г. Торо! – стремился максимально упростить.
«Спальня Эйнштейна выглядела как монастырская келья, – писал один из его биографов. – Не было ни картин на стенах, ни ковра на полу. Он часто ходил по дому босиком. Его жена Эльза подрезала ему волосы лишь раз в несколько месяцев – чаще он не позволял…»
Исповедовал простоту – мы вновь возвращаемся к науке – и другой видный физик недавнего прошлого, немец B. Гейзенберг (1901–1976). В одной из своих работ («Что такое «понимание» в теоретической физике») он писал:
«Все еще может считаться лучшим критерием корректности новых концепций старая латинская пословица «Simplex sigilum veri» («Простота – это признак истинности»), которая была выведена большими буквами в аудитории Геттингенского университета».
Однако реальными успехами эти честолюбивые устремления физиков ознаменовались лишь совсем недавно. Теоретикам (американцам С. Вайнбергу и Ш. Глэшоу и индусу А. Саламу за эти работы в 1979 году была присуждена Нобелевская премия по физике) удалось-таки объединить слабые и электромагнитные силы. Так возникли новые силы – электрослабые.
Аппетит, как говорится, приходит во время еды. Ободренные успехом, физики замыслили новое объединение – «великое», или «гранд-объединение» электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий.
Это заботы настоящего, а в будущем видится еще более дерзкая акция – объединение всех сил, включая и гравитацию. Эта программа получила название «суперобъединения».
Здесь уже все: и полный спектр масс элементарных частиц, и объяснение их характеристик, и ответы на вопросы, почему одни частицы заряжены, другие нет, почему масса протона точно в 1836 раз больше массы электрона, отчего никак не удается обнаружить свободные изолированные кварки и т. д. – все должно быть истолковано. «Заодно мы объяснили бы весь Мир» – так полушутя выразился один советский физик.
Удастся ли ученым дотянуться до истинной простоты, будут ли удовлетворены их амбиции полностью – покажет время. На очереди сейчас «великое объединение».
Оно могло бы показаться игрой фантазии физиков-теоретиков, если бы не одно вытекающее из него фундаментальное предсказание. Вот оно: протон, дотоле считавшийся абсолютно стабильной частицей, должен – если «великое объединение» возможно, – просто обязан распадаться!
Дрожанье хаоса
Лукреций Кар (I век до новой эры, римский поэт и философ, страстный пропагандист учений Эпикура) в поэме «О природе вещей» вслед за Демокритом объявил атомы вечными. Он полагал, что это тот фундамент, на котором и покоится незыблемость нашего мира.
Идея была прекрасной, но, к несчастью, этот благородный римлянин плохо представлял, что же такое эти самые атомы.
Веру в постоянство и неизменность атомов перечеркнуло открытие французом А. Беккерелем радиоактивности (1896). Оказалось, что ядра многих атомов нестабильны и могут самопроизвольно распадаться.
Вначале полагали, что это удел лишь некоторых тяжелых элементов, вроде урана или радия. А что-де ядра элементов обычных, таких, как водород или кислород, сохраняют стабильность.
И эта иллюзия быстро развеялась. Сейчас ученые понимают, что стабильность всех атомов и молекул, а вместе с ними и всей макрожизни, зиждется на весьма шатких основаниях. И виноваты в этом процессы, происходящие на самых нижних этажах природы.
Все элементарные частицы можно разбить на три класса.
В первом всего одна частица – фотон, этот квант и переносчик света (и по-гречески слово «фотон» означает свет).
Второй класс заселили лептоны (от греческого «мелкий», «узкий»). В этом классе счет идет уже на десятки.
К лептонам относятся электрон, позитрон (античастица, «антипод» электрона, «позитро» по-латыни значит «положительный»), различные нейтрино, мюоны…
Фотон и лептоны, хотя среди них встречаются распадающиеся частицы, еще не подрывают нашей веры в прочность и основательность мироустройства. Лик нестабильности явственно проступает только в третьем классе элементарных частиц – адронов (от греческого «массивный», «крупный», название предложил физик-теоретик член-корреспондент АН СССР Л. Окунь).
Адронов – к ним относятся и протон с нейтроном – тьма-тьмущая. Их несколько сотен: любители точности называют число 350. Впрочем, физикам это число уже не кажется столь огромным. Ведь в некоторых теоретических моделях количество элементарных частиц исчисляется тысячами! (Это прискорбное обстоятельство отпугивает даже самых бесстрашных: никто пока не отважился проводить детальное изучение подобных возможностей.
Может быть, это удастся осуществить в союзе с вычислительными машинами?)
Другое (кроме многочисленности) удивительное свойство адронов состоит в том, что эта мелочь («крупны» они только по отношению к фотону и лептонам, размеры адронов порядка 10 -13сантиметра) имеет крайне сложную внутреннюю структуру и при этом живет очень и очень недолго.
Даже самые долгоживущие из адронов, так сказать, Мафусаилы микромира, не протягивают дольше 10 -8секунды. В основном же время их жизни составляет 10 -23секунды. Оно ненамного больше того (убедитесь сами), которое необходимо свету, имеющему скорость 300 тысяч километров в секунду, чтобы пройти через тот же адрон.
(Собственно, мизерность времени жизни адронов не должна нас очень смущать: иной мир, иные и масштабы!
И можно спорить, например, о том, что стабильнее: автомобиль, который «распадается», пройдя 100 тысяч километров пути, или частица пион, оставляющая в пузырьковой камере до своего неизбежного распада сантиметровые «следы».
Нетрудно подсчитать, что пион способен пройти расстояния, в 10 15раз превышающие его собственные размеры. У автомобиля тот же показатель составляет величины гораздо меньшие: порядка 10 7. Вот и получается, что пион можно считать гораздо «стабильнее» автомобиля.)
В краткости жизни микрочастиц не было бы ничего удивительного, если бы среди них не затесалось несколько кощеев бессмертных. С ними-то и связаны все надежды на хотя бы относительную прочность окружающего нас мира.
Из многих сотен так называемых элементарных частиц правом на бессмертие обладают (пока?) лишь несколько избранников природы, которых легко можно перечесть по пальцам. Это фотон, электрон, нейтрино, протон (единственный из семейства адронов). Нейтрон, этот один ил главных компонентов почти любого атомного ядра, являющийся также адроном, в свободном состоянии неустойчив: примерно через 16 минут он распадается. Правда, в составе стабильных атомных ядер они (нейтроны) сравнительно устойчивы. Нейтроны ставят перед физиками еще одну загадку: почему они распадаются не на три кварка, как это следовало бы ожидать, а на протон, электрон и электронное антинейтрино?
Итак, мы насчитали лишь четыре типа устойчивых частиц. Все другие элементарные частицы умирают, не успев как следует родиться, ибо время их жизни ничтожно.
Основательность, незыблемость картины мира – где вы? Страшно вообразить Вселенную, которая в основном оказалась сработанной из быстроразваливающихся частиц. Сплошной поток гримас, хор судорог, сливающийся в одно дрожанье хаоса.
Немыслимыми путями этот поток беспорядка организует нам все окружающее. Поддерживает термоядерные реакции, без которых погасли бы Солнце и звезды, творит земную твердь, разумных и неразумных тварей на ней, растения.
Прежде этот «фокус» природы можно было объяснить, указав, что основа всего – атом водорода, точнее, входящие в него протон и электрон – вечны. Теперь же бессмертие протона повисло на волоске, оказалось под подозрением.
Сколько тебе жить, протон?
Мы сидим на крохотном островке стабильности и с душевным трепетом взираем на физиков, которые вот-вот готовы и протон объявить частицей неустойчивой.
Стабильность электрона легко объяснить. Он имеет минимально возможный заряд (если не принимать в расчет кварки, эти получастицы, полуфантомы!). Все частицы меньшей массы (обычно при ядерных развалах тяжелое распадается на более легкие части), те, на которые электрон мог бы распасться (фотон, нейтрино), – нейтральны. Получается, что электрону просто не на что «распасться». Тут вступает в действие закон сохранения электрического заряда: заряд не может исчезать или возникать.
С протоном дело сложнее.
Он мог бы передать свой единичный положительный заряд, скажем, более легкому позитрону, тоже положительно заряженному.
Прежде эту возможность теоретики игнорировали, так как адроны (протон среди них) и лептоны (электрон, позитрон) были разделены, казалось бы, непроницаемой стеной. Однако в рамках «великого объединения» различие между этими частицами исчезает. Здесь кварки, которые раньше можно было отличить по их способности к сильным взаимодействиям, могли бы запросто превращаться в лептоны, прежде считавшиеся частицами совсем другой природы, участвующие только в электрослабых взаимодействиях. Как следствие этого, состоящий из трех кварков протон теперь мог бы превратиться в лептон и мезон. Например, по такой схеме: р -+ е ++ π °(протон распадается на позитрон и нейтральный пи-мезон).
Теперь вопрос – как быстро должно идти это превращение? Скорее всего со скоростями черепашьими. Ведь масса данных, начиная с солидного возраста земного шара, говорит о том, что окружающее нас вещество вроде бы вовсе не исчезает.
Слоны и вороны, говорят, живут сотни лет, американские секвойи тысячи. А сколько лет способен прожить протон? Если срок его жизни окажется очень большим, то с чем его сравнивать? Может быть, со временем жизни нашей Вселенной? (Да она тоже невечна, и в принципе имело бы смысл отмечать дни, нет, миллиардолетия со дня ее рождения!)
Возраст Вселенной установлен довольно точно – 10 10, или, в обычной записи, 10 миллиардов лет. Число катастрофически громадное; и все-таки протон должен жить дольше, что нетрудно доказать.
Мы, как выразился один физик, «знаем своими костями», что среднее время жизни протона больше, чем, ну скажем, 10 16лет. В самом деле, если бы оно было заметно меньше, то 10 28протонов, образующих тело взрослого человека, распадались бы со средней скоростью, превышающей 10 12протонов в год, или около 30 тысяч распадов за секунду.
Человек стал бы радиоактивным! И сам представлял бы угрозу для своего здоровья.
Различные теоретические соображения и эксперименты (о них еще пойдет речь) свидетельствуют: время жизни протона больше 10 30лет. Умопомрачительная величина! Откуда она взялась? Физики в состоянии дать отчет.
Протон, считается, состоит из трех кварков. В среднем они находятся друг от друга на значительной дистанции, расстояниях порядка радиуса протона. Эти размеры крошечны для нас, людей, но грандиозны, чтобы на них могли проявить себя «сильно-электромагнито-слабые» («великое объединение» сил) взаимодействия.
Протон, возможно, способен превратиться в позитрон, но только при том условии, что один из его кварков станет лептоном. И вот для этого-то кварки и должны сблизиться на расстояния в миллиарды миллиардов раз меньшие, чем размер протона.
Понятно, что вероятность такого сближения крайне мала, а значит, шанс за то, что протон не развалится у нас на глазах, должен быть велик. Так и возникают числа большие, чем 10 30.
И еще одно замечание-разъяснение. Не надо думать, что если время жизни протона или электрона (пока электрон считается вечным) превышает возраст Вселенной (на 20 порядков!), то эти частицы существовали и тогда, когда Вселенной еще не было и в помине. Нет, протоны и электроны появились вместе со Вселенной. И число 10 30означает лишь ту «веху» жизни Вселенной, когда большинство протонов мира развалится.
Как иголку в стоге сена
Изучение элементарных частиц часто принимает форму диалога между теорией и экспериментом. Теоретики предсказывают существование новых частиц и явлений и передают слово экспериментаторам. Те конструируют и изготовляют тончайшие приборы и приступают к опытам.
В результате получают то, или не совсем то, или уж совсем не то, чего ожидали теоретики. Последние оценивают опытный итог и снова высказывают идеи экспериментаторам. Те опять включают свои машины. И так далее, и так далее.
Как обнаружить распад протона? А. Беккерель открыл радиоактивность урана с помощью кристалла урановой соли весом всего в несколько граммов (самый быстро распадающийся изотоп урана – уран-234 – имеет краткий век). Понятно, что в случае с протонами граммов вещества будет недостаточно. Самый простой способ обнаружить распад протона (будем для определенности считать, что время его жизни составляет 10 31) – это наблюдать в течение года по меньшей мере за 10 31протонами.
Масса такого количества протонов составляет что-то около 18 тонн. Но на практике неизбежно разбавление протонов нейтронами, поскольку они, как и протоны, имеются в ядрах любого вещества, поэтому вес «детектора» – это может быть вода, железо и другие вещества – должен быть больше; как минимум надо «иметь под рукой» тысячу тонн.
А чтобы действовать наверняка, необходимо увеличить этот вес до 10 тысяч тонн. Тогда можно было бы надеяться зарегистрировать примерно дюжину случаев распада протонов за год.
А теперь представим себе, как будет проходить такой эксперимент.
На глубине сотни (лучше тысячи) метров под поверхностью планеты надо найти или вырубить в скальных породах полость размером в десятки кубических метров.
Готово? Тогда грузим тяжеловесные составы (сцепленные из специально обработанных изнутри цистерн) особо чистой водой. Ее предварительно следует отфильтровать от примесей самым тщательным образом до кристальной прозрачности!
Затем эту доставленную к «шахте» воду надо с большими предосторожностями закачать в облюбованный подземный резервуар.
Но и этого мало. Стенки резервуара должны быть увешаны тысячами архичувствительных регистрирующих счетчиков.
В общем-то идея эксперимента проста. Вот только реализовать ее не так-то легко. Ведь требуется, по пословице, обнаружить иголку в стоге сена.
Первая трудность – примеси в воде. Даже мельчайшие концентрации посторонних веществ в жидкости могут имитировать распад протона и ввести экспериментаторов в заблуждение.
Вторая трудность – наличие громадных объемов вещества, необходимого для обнаружения распадов протона, влечет за собой нужду в пропорционально большом количестве регистрирующих приборов. К примеру, потребуются многие тысячи одних только фотоэлектронных умножителей.
Но еще больших хлопот доставляет проблема фона.
Искомый сигнал, свидетельствующий о распаде протона, может затеряться в шумах, вызванных не относящимися к делу явлениями.
Фон может быть внутренним, связанным с радиоактивностью воды и примесей, и внешним, космическим.
Этот наиболее неприятен.
Если установку расположить на поверхности Земли, то в кубометре воды за год произойдет примерно 10 9реакций, вызванных космическими лучами. И отношение полезного сигнала к шумам будет ничтожным.
Космические лучи и гонят экспериментаторов под землю, заставляют размещать цистерны с водой в глубоких шахтах или туннелях. Стальные стенки метровой толщины не могут оградить испытуемое вещество от пришельцев из космоса, приходится в качестве щита использовать километровые земные толщи.
Но все эти трудности только раззадоривают физиков, мобилизуют их энергию, волю. Слишком велик научный куш, слишком высока цена победы!
