Юрий Чирков - Охота за кварками
7
Странности странного мира
Отыскивание законов физики - это вроде детской игры в кубики, из которых нужно собрать целую картинку. У нас огромное множество кубиков, и с каждым днем их становится все больше. Многие валяются в стороне и как будто бы не подходят к остальным. Откуда мы знаем, что все они из одного набора? Откуда мы знаем, что вместе они должны составить цельную картинку? Полной уверенности нет, и это нас несколько беспокоит. Но то, что у многих кубиков есть нечто общее, вселяет надежду. На всех нарисовано голубое небо, все сделаны из дерева одного сорта...
Ричард Фейнман. Характер физических законов
В 1982 году два шведских физика из Королевского технологического института в Стокгольме - С. Фредриксон и М. Яндель - объявили об открытии ими новой формы вещества. Они назвали его "демоническим/".
Уже привыкли к мысли о том, что протоны и нейтроны - каждый состоит из трех кварков. А вот в "демоническом" дейтроне (изотоп водорода, в ядре которого сошлись протон и нейтрон) шесть кварков соединены уже не в две группы по три, а в три по два!
Такая диковинная комбинация кварков неустойчива и может проявить себя многими способами. "Демоническую" материю исследователи разыскивают среди ядерных осколков, которые образуются в космических лучах и на ускорителях.
Открытие шведов симптоматично. Во-первых, речь идет о кварках, этих возмутителях спокойствия в ядерной физике.
Во-вторых, вновь - в который раз! - ломаются устоявшиеся представления.
В-третьих, открытие это сделано в тиши кабинета, среди книжных полок, набитых толстенными монографиями и солидными физическими журналами. Словом, открытие принадлежит физикам-теоретикам, людям, которых коекто считает среди ученых наиболее одаренными воображением и другими талантами.
И наконец, в-четвертых (и это для нас самое главное), очень показателен выбранный для вещества эпитет - "демоническое"!
Фантастический мир, который постепенно открывается ученым в глубинах атома, и будет основным "действующим лицом" этой главы.
Поди туда - не знаю куда
В одном шутливом перечне типовых экзаменационных вопросов, составленных якобы для аспирантов-физиков, есть и такая каверза: "Перечислите все до сих пор не открытые элементарные частицы и укажите причины, по которым они до сих пор не обнаружены". Это розыгрыш.
А вот серьезное и авторитетное высказывание, пожалуй, главного в нашей стране кварколога, крупного специалиста по физике высоких энергий Л. Окуня. Парадокс состоит в том, пишет он в одном из обзоров, что "мы гораздо лучше понимаем, зачем нужны те частицы, которые еще не открыты, чем многие из тех, в существовании которых мы удостоверились экспериментально".
Только непосвященным наука кажется ровной и прямой дорогой, путь по которой освещен фонарями Разума, Логики, Порядка.
В действительности же это сильно пересеченная местность, где двигаться приходится подчас в кромешной тьме, где каждую минуту можно провалиться в колдобину и сломать себе если не шею, то мозги. А точнее, разувериться в разумности и неопровержимости многих, казалось бы, незыблемых представлений и школьных истин, прописей здравого смысла. Впрочем, а как же может быть иначе? Ведь вся наука - езда в незнаемое.
Американский физик-теоретик К. Дарроу очень ехидно и точно определил. "Исследование - это поиски, когда вы не знаете, что найдете; а если вы знаете, значит, уже нашли, и вашу деятельность нельзя назвать исследовательской".
И все же среди других наук физику элементарных частиц (так же как и космологию) отличает одна уникальная особенность. В этой области мы, как правило, не знаем основных законов, управляющих изучаемыми явлениями.
Примеров случайных открытий в физике сколько угодно. Искали, скажем, теоретически предсказанный (лауреатом Нобелевской премии, первым среди жителей Страны восходящего солнца удостоенным этой высокой чести японцем X. Юкавой) пи-мезон (или пион), а открыли (1936) мю-мезон (или мюон), о котором никто и не полгышлял.
Пион был открыт только в 1947 году. Он, как известно, нужен для объяснения природы ядерных сил. А вот зачем природе мюон, этот двойник электрона, отличающийся от него только массой (мюон в 207 раз тяжелее электрона), ученые (даже спустя почти полвека после открытия!) и сейчас плохо понимают.
Вообще развитие физики кажется логически последовательным только в ретроспективе. С "послесказаниями"
дело обстоит неплохо - хуже с предсказаниями. Тут очередной шаг почти всегда неожидан и очень часто не воспринимается всерьез не только теми, кто смотрит со стороны, но даже теми, кто этот шаг делает.
Физики внимательно читают "Книгу природы", но не знают, где у нее начало, где конец. Листают случайные страницы, к тому же написанные на непонятном языке. Время от времени появляются новые действующие лица (кварки?). Чтобы понять их роль в повествовании, приходится напрягать воображение, логику, интуицию для хотя бы приблизительного понимания авторского замысла.
Изучая микромир, человек все глубже погружается в царство абстракций, которое не может не быть странным и таинственным. Не хватает понятий, ярлыков, да и просто слов для обозначения удивительных объектов и закономерностей.
Самолет плюс бабочка
Ученые, исследующие микромир, как и все люди, делятся на оптимистов и пессимистов. И отношение их к своему делу различно. Послушаем их разговор.
Пессимист. Паука похожа на сражение. Вспомним ее историю: какое это трагическое зрелище! Следы поражений здесь гораздо многочисленней, чем памятники побед. Оглядите разбросанные остовы покинутых систем, учений, где полным-полно теорий, устаревших, как примитивные каменные орудия. А сколько тут вдребезги разбитых истин, пользовавшихся некогда всеобщим прилпанием. Разве все ото не похоже на то, будто здесь пронесся шквал, ураган разрушительной войны, потрясший страну науки?
Оптимист. Война? Но природа вроде бы вовсе и не скрывает своих тайн. И не оказывает никакого противодействия, не сопротивляется, не хитрит. Она равнодушна, как сфинкс. Кроме того, успехи ученых совершенно необратимы. Контрнаступления не будет. Трепещущая у нас в руках прекрасная пленница ИСТИНА - навсегда останется нашим трофеем.
Пессимист. Пусть так, и все-таки это война, вот только вести ее приходится... вслепую! У нас нет карты территории, которую занимает "противник", поэтому такую большую роль играет догадка, внезапное озарение.
Артиллерия ученых бомбит вражеские эшелоны почти наобум. Ведь ориентирами служат вещи случайные - интуиция, вехи, расставленные научной школой, личными склонностями и пристрастиями ученого, научной модой и многими другими, в сущности, не очень серьезными причинами. И только огромное дымное облако взрыва показывает в случае успеха, что мы чудом нащупали и взорвали склад боеприпасов или военный завод.
Оптимист. Все не так безнадежно, как кажется.
У нас имеются надежные путеводные нити в наших странствиях по микромиру. Оценить увиденное там нам помогут ВЕЛИКИЕ ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ. Даже школьникам известна сила законов сохранения энергии, импульса, электрического заряда... Природа как бы подобна огромной шахматной доске с миллионом фигур. И нам вначале необходимо разобраться хотя бы в правилах этой мудрой игры. Так постепенно мы узнаем законы движения фигур на доске. К примеру, видим, что белопольный слон движется всегда только по белым квадратам. С каждой новой "позицией" мы все более убеждаемся в верности наблюдений. Так можно кое-что узнать об игре, не вдаваясь, однако, в доскональное ее изучение. Так удается выяснить некие инварианты, неизменные качества природы...
Да, в последних словах оптимиста есть большой смысл. В мире элементарных частиц, в этой СТРАНЕ НЕВЕДОМОГО, физики руководствуются соображениями, которые непосвященным, не привычным к подобным манипуляциям могут показаться довольно странными.
Представьте себе громадные весы, на одной чаше которых лошадь и мышь, на другой - корова и собака.
И некоего физика, утверждающего, что лошадь + мышь могут превратиться в корову + собаку, так как, дескать, ни один из восьми законов сохранения веса, количества живности, числа голов, глаз, хвостов, лап (проверьте, пожалуйста, сами), числа млекопитающих и свойств волосатости - не нарушен.
Тот же филин в то же время не примет, однако, такое "равенство": самолет плюс бабочка равняется вертолету плюс альбатросу. И заметит при этом: хотя сумма веса, количество объектов, число моторов остаются неизменными, но суммарное число крыльев (вертолет!) оказывается разным.
Вот они, законы сохранения, в действии. Но чтобы показать незыблемость и неукоснительность выполнения этих законов, обратимся к конкретному примеру из недавней истории физики высоких энергий.
Частицы со странностью
Открытие было сделано в 1947 году. Регистрируя космические лучи в камере Вильсона, ученые обнаружили следы подозрительных частип.
