Текст книги "Охота за кварками"

Автор книги: Юрий Чирков

Эксперимент века

Сейчас в поиски распадающихся протонов включились большие группы физиков на всех континентах, исключая лишь Австралию.

В СССР в Баксанской нейтринной обсерватории (Северный Кавказ) на глубине 850 метров под горой Андырча, что в Баксанском ущелье, успешно действует установка, вес которой около 300 тонн. Возможно, для этих же целей будет использована в будущем и соляная шахта вблизи города Артемовска на Украине.

Подобные же устройства функционируют в золотых, соляных и прочих шахтах Индии, Японии и других стран. Пока (данные 1983 года) самый большой детектор весом в 10 тысяч тонн воды находится в США в штате Огайо. Но Италия намерена побить этот рекорд – ввести в действие 12-тысячетонное устройство. А анализировать распады протона в нем будут черепковские счетчики.

Трудности подобных экспериментов становятся все очевиднее. Не так-то просто разместить такую уйму сверхчистой воды на глубинах в несколько километров.

Кроме того, в сырых и душных шахтах нелегко работать пе только экспериментаторам, но и приборам. А вот еще более серьезное затруднение.

Если время жизни протонов (обозначим его через t _p) значительно превышает 10 ³³лет (теоретики смогли установить только нижнюю границу их жизни), то сооружение более крупных детекторов может оказаться и вовсе бесполезным. Ибо вместе с ростом детекторов будет пропорционально расти и неустранимый фон шумов.

При t _pбольше 10 ³⁵лет в установках пойдут реакции, инициированные нейтрино. Они практически полностью имитируют протонные распады. Остается лишь надеяться, что физикам повезет: что t _pменьше 10 ³⁵лет.

Многие научные обозреватели справедливо называют поиск распадающихся протонов экспериментом века.

И вот почему.

Прежде всего будет доказана (если протон нестабилен) реальность великого объединения. Со всеми вытекающими отсюда последствиями. Их стоит перечислить.

Во-первых, будет существенно подкреплена кварковая гипотеза.

Во-вторых, удастся приоткрыть завесу над таким загадочным обстоятельством, как отсутствие в нашей Вселенной антивещества.

И наконец, космологи с помощью физиков смогут проэкстраполировать процесс развития Вселенной далеко в будущее, вплоть до времени, когда Вселенной исполнится 10 ¹⁰⁰(!) лет. Если протон не вечен, то, по предсказаниям ученых, к этим почтенным срокам все протоны распадутся, а все галактики превратятся в «черные дыры»…

Эксперимент века должен решить множество проблем. Оттого-то физикам не терпится. Один из них выразился так: «Если уж протону суждено умереть, пусть он умрет у нас на руках и поскорей!»

А вот мнение Л. Окуня: «Если распад протона будет обнаружен экспериментально, то это надо будет рассматривать как особую благосклонность Природы к физикам». Ибо, продолжает ученый, «нам удалось бы заглянуть, как сквозь замочную скважину, в «горячую лабораторию» великого объединения». Поясним последние слова.

Ныне физики как бы пытаются по нескольким костям (распад протона) восстановить облик древнего ящера.

А если говорить без риторических фигур, они хотят понять суть явлений, масштабы которых сейчас кажутся фантастическими.

Это мир расстояний порядка 10 ^-29сантиметра, или, по-иному, мир частиц (они уже получили особое название: векторные Х– и Y-бозоны) с чудовищными массами в 10 ¹⁵m _р, где m _p– масса протона.

Пояснить дерзость этого научного предприятия можно так. Если когда-нибудь и будет построен ускоритель с радиусом, равным радиусу земного шара, то и тогда можно было бы наблюдать частицы всего лишь с массой (10 ⁷– 10 ⁸)m _р. Если же мы во что бы то ни стало захотим добиться рождения Х– и Y-бозонов, то придется строить ускоритель длиной около светового года!

Теперь, надеемся, понятно, как заманчиво проникнуть в тайники природы окольными путями, не строя ускорителей, а изучая лишь распады протонов.

«Калибровочная» пустыня

И. Ньютон верил в простоту мира. «Природа довольствуется простотой, писал он, – и не любит пышности излишних причин». Однако «простота» И. Ньютона была позднее подправлена А. Эйнштейном, а сейчас многие физики считают, что и его уравнения также необходимо усложнить и модифицировать.

Можно ли считать простоту синонимом истинности?

Существует ли особый «принцип простоты»? Подобного рода вопросы не только философски интересны, но, возможно, имеют и практический аспект.

Допустим, есть две конкурирующие теории. Обе кажутся верными и требуют экспериментальной проверки.

Но эксперименты ныне стоят больших денег. Так вот, если бы простоту можно было бы измерять и если простота теории действительно увеличивает вероятность того, что наиболее простая из теорий самая верная, то, измерив простоту и проведя сперва испытание более простой теории, мы сразу же сэкономили бы немалые средства.

Мистика простоты явно сквозит в трудах многих признанных классиков науки. Мы не удивляемся, если самая простая гипотеза одерживает верх над соперницами.

Гелиоцентрическая система поляка Н. Коперника (1473–1543) гораздо проще объяснила суть истинного движения планет относительно неподвижных звезд, чем неуклюжая модель грека К. Птолемея (II век новой эры), включающая громоздкий набор небесных сфер.

Этот и другие примеры из истории науки настойчиво внушают мысль о простоте мира. И немало философов от науки усматривают тут стремление Природы к своеобразной экономии своих средств. Но, безусловно, все это спорные вопросы.

Что есть истина? Что такое простота? Как их строго определить? И можно ли? А что, коли в природе существует не один вид простоты, а несколько целая иерархия? Не следует ли к простоте относиться диалектически? Английский философ и математик А. Уайтхед (1861–1947) учил, что лозунгом каждого настоящего ученого должен быть: «Ищи простоту и не верь ей!»

Пример того, что простота может быть совсем не простой, приводит американский популяризатор науки М. Гарднер. Он вспоминает о серии комиксов «До нашей эры», где на одной из картинок показано, как пещерный житель изобрел квадратное… колесо.

Полуголый изобретатель рад, вот только пассажиры (колесо-то с углами) в претензии: зверски трясет! Тогда одетый в шкуры конструктор в муках рождает новый проект – «более простое» колесо треугольной формы.

Конечно, число «встрясок» за один оборот колеса сведено к минимуму, но очевидно, что древний новатор еще дальше ушел от идеала, от простейшего колеса – круга, у которого вовсе нет углов. И это вопреки тому, что круг представляет собой самое сложное изо всех колес – ведь это многоугольник с бесконечным числом углов!

А теперь вновь вернемся к проблеме распадающегося протона.

«Великое объединение» многое упрощает, сводя тройку сил к одной. Но какое это разочаровывающее упрощение! Нежданно-негаданно физики вдруг очутились в «калибровочной» пустыне. Они привыкли к тому, что каждое новое поколение ускорителей, каждое новое продвижение по шкале до сих пор открывало и новые физические явления. Количество неизменно и довольно быстро переходило в качество. А тут нате!

Сейчас экспериментально физики добрались до размеров 10 ^-16сантиметра. Если протон смертен, им сразу откроются и масштабы, соизмеримые с 10 ^-29сантиметра.

Они получат возможность заглянуть на 14 порядков вперед по длинам и энергиям! И на этих громадных «пространствах» им не встретится, есть такие подозрения, ни одного существенно нового явления – пустыня!

Если протон развалится-таки, то этот эксперимент определит развитие физики высоких энергий на долгие годы. Он, как камертон, настроит физику на «дали», где видится предельная, минимально возможная в природе длина 10 ^-29сантиметра.

В какой-то мере идейно физика как наука будет исчерпана, а физики, словно путешественники, начнут буксовать, как вездеход, тонущий в сыпучих барханах знойной пустыни.

Ощущение такое, пишет Л. Окунь, как если бы облака вокруг Земли были бы очень плотными и только наше поколение, прорвавшись сквозь них, вдруг впервые узрело бы далекие звезды и мертвые и пустынные космические дали. И человек отчетливо осознал бы, что между ним и ближайшей звездой космическая пустота.

Понятно, что в этих условиях некоторые физики заговорили о конце физики, об ее исчерпаемости. Другие же, напротив, борясь с этими, как им кажется, пагубными мнениями, указывают на то, что мы, возможно, не вправе распространять наши физические идеи и представления, развитые и подтвержденные для масштабов 10 ^-15сантиметра (пока охота за кварками и другими диковинами микромира дошла до этого предела), в области с масштабами до 10 ^-29сантиметра. И что, следовательно, ученых ждут еще многие сюрпризы. И еще, добавляют они, не надо забывать, что «великое объединение» только шаг на пути к «суперобъединению» (включающему и последнюю силу – гравитацию). А там возникнут не просто загадки – все это может стать началом совсем новой физики.

Вот так исследование микромира, находящееся сейчас на стадии детального изучения прежде всего кварковой проблематики, ставит перед физиками и философами вопрос большой принципиальной важности. Кто прав? Сторонники того, что наука бесконечна, или те, кто считает, что научный прогресс рано или поздно, но непременно прекратится?

Обсуждение этой кардинальной для всей науки проблемы и станет темой следующей главы.

4
Сколько у природы законов?

 
Наш Мир – не завершенье
Там – дальше – новый Круг
Невиданный – как Музыка
Вещественный – как Звук.
Он манит и морочит
И должен – под конец
Сквозь кольцо Загадки
Пройти любой Мудрец.
 

Эмили Дикинсон

Величественный старик в густой шапке седых волос неторопливо подошел к кафедре, отпил из стакана несколько глотков крепчайшего чая, обвел взглядом многочисленную аудиторию и начал:

– Господа, я полагаю, что физику как науку можно считать вполне законченной… Нам осталось провести лишь некоторые малосущественные уточнения и доделки…

Так, на рубеже XIX и XX столетий знаменитый английский физик, один из основоположников термодинамики и кинетической теории газов, президент Лондонского королевского общества, автор четырех сотен научных работ, почетный член Петербургской и многих других академий наук мира, У. Томсон (1824–1907) (за выдающиеся научные заслуги был в 1892 году пожалован в пэры и получил титул лорда Кельвина, отсюда пошла и многочисленная научная терминология: температурная шкала Кельвина, уравнение Кельвина и т. д.) в присутствии множества виднейших ученых решительно и торжественно «закрыл» науку.

Однако патриарх (У. Томсона нельзя путать с его более молодым однофамильцем Дж. Томсоном, открывшим электрон) ошибался. Очень скоро мир представлений лорда Кельвина был вдребезги разбит новыми неожиданными открытиями: рентгеновские лучи (1895), радиоактивность (1896), обнаружение электрона (1897), идентификация радия (1898). Природа открывала исследователям все новые научные истины. И все же в чем-то У. Томсон мог оказаться прав.

В самом деле, вечен ли безудержный прогресс науки?

Не иссякнет ли когда-нибудь родник открытий? Ведь существуют же, как надеются некоторые ученые, элементарные первочастицы материи (кварки? не потому ли их трудно обнаружить, что кварковый уровень материи является последним рубежом микромира?), из которых построен весь остальной мир. Так же, казалось бы, могут существовать и «самые последние» предельно общие законы мироздания, познав которые наука исчерпает себя.

И возникает принципиальный вопрос: конечно ли число законов природы или бесконечно? Вечен ли процесс познания или ему наступит неизбежный конец?

«И с физикой будет покончено»

Давно известно: чужие ошибки мало чему нас учат.

Предсказания, подобные высказанному У. Томсоном, делались до него не раз и, видно, будут повторены еще неоднократно.

Французский астроном и математик П. Лаплас (1749–1827) любил повторять: «Дайте мне все начальные условия, и я предскажу будущее мира». Таким образом, П. Лаплас считал: законов механики вполне достаточно для объяснений всех явлений не только физики, но и всего естествознания.

О подобном же характерном и поучительном эпизоде из своей жизни рассказал немецкий физик-теоретик М. Планк (1858–1947). В 17 лет, решив посвятить себя занятиям теоретической физикой, он пришел к другу отца, декану физического факультета, 70-летнему профессору Жоллп пробить совета. Юноша жаждал одобрения, благословения, теплых слов напутствия. К его удивлению, ответ маститого ученого был совсем иным. «Молодой человек, сказал Жоллп, – зачем вы хотите испортить себе жизнь, ведь теоретическая физика уже в основном закопчена? Стоит ли браться за такое бесперспективное дело?.. Конечно, – продолжал метр, – в том пли ином уголке можно еще заметить или удалить пылинку, но система как целое стоит прочно, и теоретическая физика заметно приближается к той степени совершенства, каким уже столетия обладает геометрия…»

К счастью, М. Планк не внял этим словам и позже стал одним из творцов квантовой механики, лауреатом Нобелевской премии, жизнью своей опровергнув прогноз своего наставника.

Увы, увы!.. Этот и ему подобные факты истории пауки, эти многочисленные заблуждения прошлого не стали уроком и для новейшей физики, которая взорвала классические догмы времен Лапласа и Кельвина.

Квантовая механика, созданная в основном в 1925–1927 годах, открыла совершенно новый, изумительный мир явлений природы. И один из ее создателей, В. Гейзенберг, вскоре после получения им Нобелевской премии самоуверенно и дерзко заявил: «В течение нескольких лет мы навели порядок в электродинамике. Теперь нам нужно еще несколько лет на атомные ядра, и с физикой будет покончено. Тогда мы сможем приступить к биологии…»

За этими не очень скромными словами скрывается следующее. Поклонник простоты В. Гейзенберг, как и другие большие физики его времени, мечтал доказать единство всех физических стихий. В последние годы жизни он попытался (к этому времени и сильные и слабые взаимодействия стали известны науке) объединить все четыре основные силы в одну. Дерзкий замысел!

В результате семи лет упорной работы им опубликована система из четырех нелинейных дифференциальных уравнений – ее называют «нелинейной спинорной теорией», или «формулой мира Гейзенберга».

Теория Гейзенберга обещала многое – объяснить все характерные особенности элементарных частиц, величины всех констант взаимодействий, словом, исчерпать физику как науку так же, как может быть исчерпана вода в иссякающем колодце. Увы! Поиск имеющих физический смысл решений предложенных В. Гейзенбергом уравнений, их математическая интерпретация оказались делом чрезвычайно сложным. Эти попытки не закончены и по сей день.

А вот совсем недавний пример подобных же прогнозов. Р. Фейнмана (родился в 1918 году), американского физика-теоретика, лауреата Нобелевской премии (1965), автора широко известных у нас «Фейнмановских лекций по физике», пожалуй, представлять не надо. Его мнение очень весомо и поддерживается многими ныне живущими физиками. Вот что он пишет в книге «Характер физических законов»: «Мы угадываем все новые и новые законы. Сколько же их будет, в конце концов, этих новых законов?..»

И сам несколько позднее отвечает: «Не может быть, чтобы это движение вперед продолжалось вечно… Мне кажется, что в будущем произойдет одно из двух. Либо мы узнаем все законы, то есть мы будем знать достаточно законов для того, чтобы делать все необходимые выводы, а они всегда будут согласовываться с экспериментом, на чем наше движение вперед закончится. Либо окажется, что проводить новые эксперименты все труднее и труднее, и все дороже и дороже, так что мы будем знать 99,9 процента всех явлений, но всегда будут такие явления, которые только что открыты, которые очень труды) наблюдать и которые расходятся с существующими теориями, а как только вам удалось объяснить одно из них, возникает новое, и весь этот процесс становится все более медленным и все менее интересным. Так выглядит другой вариант конца. Но мне кажется, что так или иначе, но конец должен быть…»

Может показаться, что Р. Фейнман говорит лишь о будущем физики? Отнюдь. И другим областям знания он предрекает ту же судьбу: «Наступит время вырождения идей, вырождение того же сорта, которое знакомо географу-первооткрывателю, узнавшему, что по его следам двинулись полчища туристов».

Перекличка поэтов

Незримыми путями, окольными тропами, исподволь, неприметно научные истины просачиваются за стены профессорских кабинетов, сбрасывают с себя академические мантии, и вот они уже стали предметом трамвайных разговоров, пробрались на страницы газет, их начинают зубрить школьники.

Однако прежде всего научные истины становятся добычей философов. Часто философами, так сказать, по совместительству оказываются сами ученые.

Последние лет десять жизни знаменитого французского математика А. Пуанкаре (1854–1912) протекали в атмосфере начавшейся революции в естествознании.

Это во многом определило интерес ученого к философским проблемам науки. А. Пуанкаре, возможно, был одним из первых науковедов. Он оставил потомкам ряд любопытных трудов: «Ценность науки», «Наука и гипотеза», «Наука и метод». Занимался ученый и многими вопросами теоретической физики. Так, к примеру, он автор сочинения «Динамика электрона» (1905), где, как считают отдельные историки науки, одновременно и независимо от А. Эйнштейна построил то, что позднее было названо «Специальной теорией относительности». (Добавим, что соперником А. Эйнштейна выступает еще и X. Лоренц.)

Понятно, что при такой широте интересов А. Пуанкаре не раз высказывался о будущем наук.

В 1904 году на Международном конгрессе искусства и науки в Сент-Луисе (США) он сделал доклад. В нем он пытался очертить перспективы теоретической физики.

(Правда, называл он ее иначе – математической физикой.) В отличие от Кельвина и других пророков, предвещавших неизбежный и скорый закат физики, А. Пуанкаре крайне осторожен в выборе выражений. «Нужно только представить себе, – говорил он на конгрессе, обрисовывая современное состояние науки, – каких глупостей наговорили бы великие ученые, жившие сто лет назад, если бы их спросили, что будет представлять собой физика XIX века».

А. Пуанкаре не хочет казаться смешным. Он уверен, что дальнейшее развитие физики опровергнет все прогнозы и они покажутся тогда или слишком робкими, или, слишком дикими. Свое нежелание казаться крайне категоричным ученый прячет в неопределенности тона и шутливых оборотах. Он пишет: «Но хотя, как всякий благоразумный врач, я уклоняюсь от прогноза, я все же не могу не попробовать поставить диагноз; да, действительно, видны симптомы серьезного кризиса: похоже, что мы стоим на пороге перемен. Но не надо слишком беспокоиться, мы уверены, что болезнь не смертельна…»

Подобное благоразумие мало кто проявлял в те годы.

Удивительные научные новости будоражили умы. Дискуссии вокруг них вовлекали все большие массы людей.

Споры проникали в искусство, находили отражение даже в такой его предельно эмоциональной, предельно далекой от рефлексии области, какой является поэзия.

Примеров проникновения наук в поэзию можно было бы привести немало.

В 1611 году выдающийся английский поэт Д. Донн (у нас его, к сожалению, мало знают) написал поэму «Анатомия мира». В ней, в частности, были и такие строки:

 
И в сфере звезд, и в облике планет
На атомы вселенная крошится,
Все связи рвутся, все в куски дробится.
Основы расшатались, и сейчас
Все стало относительным для нас.
 

Не верится, что эти строчки написаны не в наши дни стремительного развития наук, а добрых три с половиной столетия назад.

Чем же вызваны эти строки Д. Донна? Его визионерством (Д. Донн считается родоначальником так называемой метафизической школы поэтов)? Вовсе нет. Имелись более прозаические причины.

Во времена Д. Донна (эпоха Возрождения) ниспровергалась физика Аристотеля. Круговые орбиты и сферичность как основа мироздания должны были исчезнуть.

(«Обезображены пропорции мира, – жалуется Д. Донн в, поэме. – Ни тверди, ни окружности!» – горестно восклицает он.) Тогда многим показалось, что симметрии и гармонии мира, а вместе с ними и всей науке пришел конец. В этом, оказывается, все дело.

Трансформация идей науки в образы поэзии, переплав мысли в чувства, числа – в метафору, рифму, ритм – все эти процессы должны были особенно бурно идти в эпоху ломкп науки, которая совершалась в начале нашего века.

В 1905 году А. Эйнштейн создал теорию относительности. А в 1922 году в сборнике стихов «Дали» самый, пожалуй, ученейший из русских поэтов, В. Брюсов, непосредственно откликнулся на эту работу стихотворением «Принцип относительности». Поэт писал:

 
Первозданные оси сдвинуты
Во вселенной. Слушай: скрипят!
Что наш разум зубчатый? – лавину ты
Не сдержишь, ограды крепя…
 

И дальше:

 
До чего, современники, мы дожили:
Самое время – канатный плясун!..
 

Истинный художник не мог остаться равнодушным к коренной ломке взглядов. Поэт потрясен разрушением привычных основ. Но В. Брюсов нисколько не горюет о старом, нисколько не оспаривает наступление новых научных времен, принимает их как должное, как задаток к будущим, еще более радикальным открытиям.

Ни о каком конце наук, их ограниченности поэт не помышляет, что подтверждает все его творчество.

Совсем иную позицию занял другой русский поэт, современник А. Пушкина, Е. Баратынский. Возможно, виновато тут то, что жил он совсем в иные, чем В. Брюсов, времена, когда наука медленно крепла в тиши «келий» исследователей-одиночек, когда отдельные разрозненные научные факты собирали силу, чтобы потом, объединившись, ставши системой, превратиться в таран выводов, расшатавших позднее сами основы наук. Как бы там ни было, свой «вклад в науковедение» Е. Баратынский отчеканил в таких строках:

 
Старательно мы наблюдаем свет,
Старательно людей мы наблюдаем
И чудеса постигнуть уповаем:
Какой же плод науки долгих лет?
Что, наконец, подсмотрят очи зорки?
Что, наконец, поймет надменный ум
На высоте всех опытов и дум,
Что? Точный смысл народной поговорки.
 

Итак, по Е. Баратынскому, в человеческой мудрости заключены начала и концы всех научных изысканий о человеке и об отношениях между людьми. Здравый смысл, оказывается, уже охватил тут все наиболее существенное. Невероятно, чтоб было открыто нечто небывалое.

Конечно, «научные высказывания» Д. Донна, В. Брюсова и Е. Баратынского не следует понимать слишком буквально. Просто стихи этих поэтов в какой-то мере попали в цель, невольно совпали с двумя крайними точками зрения о будущем всех наук.

Исчерпание или бесконечное развитие? Тупик или дали без конца и края? Кое-кто считает: дилемма эта уже решена, до кризиса дело никогда не дойдет. Более того, этому, говорят, имеется даже строгое доказательство. Его дала, разумеется, математика.