Юрий Чирков - Охота за кварками
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 искалп "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 фпзпк 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^-13 сантиметра) 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^-8 секунды. В основном же время их жизни составляет 10^-23 секунды. 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 10^15 раз 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?
