Ирина Радунская - Кванты и музы
Но в последнее время произошло то, что редко случается за столь короткий срок в истории науки: на подступах к тайне элементарных частиц великие теории дрогнули…
Драмы разыгрываются главным образом в сокровенных глубинах атомного ядра и в связи с рождением (не всегда законным) новых частиц. Теория стала катастрофически отставать от опыта, перестала понимать и объяснять его! Эксперимент с каждым днём становится всё более блестящим, уверенным, хитроумным, но теоретики всё чаще оказываются не в силах предсказать и объяснить его результаты.
В ускорителях полчища искусственных космических частиц неутомимо бомбардируют мишени. И встреча «снарядов» с атомами мишени рождает целый фейерверк элементарных частиц: протонов, электронов, мезонов и… ряда таинственных, неизвестных ещё людям. Эти незнакомки представляют объект самого жадного интереса учёных.
Но большинство вновь рождённых частиц и не «думает» дожидаться, пока учёные внесут их в свои списки. Они умирают, прожив меньше, чем мгновение, просуществовав в десять миллионов раз меньше, чем ускользающе малая величина — время обращения электрона на своей орбите вокруг ядра! И всё-таки экспериментаторы успевают решить буквально феноменальную задачу: сфотографировать следы частиц-«мгновений», взвесить их, измерить электрический заряд, энергию и время жизни.
Как же объясняет теория это удивительное, фантастическое разнообразие частиц, вдруг вспыхивающих и мгновенно исчезающих? Как она рисует свойства частиц «призраков»?
Увы, никак! Современная теория пока не способна дать ключ к объяснению этих явлений.
Столкновение микрочастиц, сопровождающееся рождением огромного числа новых частиц, не поддаёт ся расчёту, предвидению, математическому анализу! Учёные могут рассчитать траекторию космических кораблей, предугадать район их посадки на других планетах, наконец, сфотографировать скрытую от нас половину Луны, но… Когда теоретики пытаются описать взаимодействие малых частиц материи, они приходят к несуразным выводам. Получается, что частицы должны обладать бесконечно огромным электрическим зарядом и бесконечной массой! Если верить формулам и уравнениям, столкновения невидимых ядер должны рождать частицы размером больше Земли, больше Солнца, что, естественно, противоречит и здравому смыслу, и повседневным наблюдениям.
Итак, частицы материи не уживаются вместе в мире известных математических образов, хотя в обыденной жизни они прекрасно ладят друг с другом, никаких нарушений законов микромира не допускают, и вокруг нас продолжают как ни в чём не бывало существовать привычные предметы, сотканные из биллионов биллионов элементарных частиц.
Чтобы «примирить» их и на бумаге, учёным сейчас приходится отказаться от рассмотрения самых близких отношений между частицами, от изучения того, что происходит при очень тесном их сближении, то есть отказаться от попыток разобраться в самом интересном…
До сих пор никто не может сказать, завершён ли список микрочастиц или нам предстоят новые открытия. Никто не знает, какие из них элементарны. Нет даже ясного определения того, какие частицы нужно считать элементарными. Хотя похоже на то, что элементарная частица не должна быть простым соединением других частиц.
Например, мезоны и гипероны не рождаются в одиночку, а группами хотя бы из двух частиц. Причём в различных условиях из одного и того же исходного «материала» могут образоваться различные «продукты». Конечно, эти частицы не элементарны.
Но если при реакции частица разлетается на несколько осколков и среди них есть такие, которые не меньше исходной, то эти последние, пожалуй, можно условно считать элементарными. Такой подход вполне законен.
Например, при распаде протона получается нейтрон и ещё две частицы, при распаде нейтрона — протон и две другие частицы. Массы протона и нейтрона очень близки, значит, эти частицы элементарны, они, по существу, не распадаются, а превращаются друг в друга.
Откуда же берутся новые частицы, рождающиеся при этих превращениях? Ещё недавно ответ показался бы крамольным: они возникают из энергии, которой обладала элементарная частица до превращения. Если превращение происходит внутри ядра — это её доля внутриядерной энергии. Если частица свободна, то это её кинетическая энергия.
Мы постоянно становимся свидетелями того, как энергия — ядерная, электромагнитная, механическая — в соответствии с предсказанием Эйнштейна трансформируется в частицы. Мы можем наблюдать, как частица и античастица исчезают, породив кванты энергии электромагнитного поля.
Мы уже не сомневаемся в том, что энергия обладает инерцией и испытывает действие поля тяготения, что энергия материальна, то есть существует независимо от нашего сознания.
Возникает вопрос: не является ли то, что мы называем энергией, равноправной формой материи, проявляющей себя в соответствии с ещё неизвестными законами то как поля, то как частицы? Не правы ли Эйнштейн и де Бройль, считавшие волны и частицы единой сущностью?
Как же преодолеть ограниченность теории, которая пока не в силах разобраться в завидном многообразии элементарных частиц? Как решить конфликт между теорией и практикой?
Каков механизм неисчерпаемости электрона и других частиц? Что представляет собою атомное ядро? Капля ли это какой-то особой невиданной жидкости, жидкости, возможно, сверхтекучей, сходной по своим свойствам с очень охлаждённым жидким гелием?.. Сгусток ли это особых ядерных сил?
Бор верил в капельную теорию строения ядра атома, Боголюбов придерживается сверхтекучей модели ядра…
Вплоть до недавней кончины продолжал свои попытки построить единую теорию элементарных частиц творец квантовой механики Гейзенберг, пришедший к мысли о том, что пространство и время, возможно, не образуют непрерывного многообразия. Он рассматривал модель мира, в котором существует минимальное пространственное расстояние — квант длины, который много меньше всех встречавшихся ранее расстояний. Гейзенберг считал, что на расстояниях, меньших этой длины, невозможны никакие, даже мысленные эксперименты.
Физики не ждут ничего нового от этой теории. По их мнению, поиски Гейзенберга лежат слишком близко от района, уже обследованного учёными.
Делаются попытки, связанные с квантованием времени, с отказом от применения теории относительности к событиям малых масштабов. Учёные пробуют построить новую теорию, основанную на том, что в крайне малых масштабах, которые пока ещё не поддаются измерению, время течёт скачками. Не непрерывно, как это получается при отсчёте обычными, пусть самыми точными, даже атомными часами, а изменяется маленькими порциями. Трудно пока говорить, действительно ли это скачки времени или принципиально необходимые скачки любого часового механизма. Мысль учёных легко понять, взглянув на обычные часы: секундная стрелка движется скачками, а другие перемещаются практически непрерывно.
Квантование времени, расстояния и многие другие теории — это, как говорится, проба пера. Пока ещё не ясно, какая из попыток приведёт к истине.
Учёные уже в XX веке привыкли к тому, что самые плодотворные, самые гениальные идеи, которые принесли в науку революцию, рождались чаще всего не из планомерного развития какого-то направления. Они возникали бурно, дискуссионно, не вязались с привычной логикой вещей, перескакивали через неё, казались поначалу неправдоподобными…
Поэтому, сталкиваясь с новым мнением, учёные наших дней прежде всего стараются понять: насколько близок район новых раскопок от уже разрытых другими учёными «курганов»?
Правда, история науки знает удивительные случаи, когда открытие было обнаружено буквально «под носом». Современный английский археолог Луис С.В. Лики искал череп самого древнего человека. И нашёл его возле…
«Случилось это, когда я обходил ущелье с геологом Раймондом Пиккерингом, который составил для нас подробную карту ущелья. Однажды после обеда мы с Реем вышли из маленького бокового ущелья в полутора километрах от нашего лагеря и взобрались на холмик, чтобы поглядеть на основной раскоп.
Вдруг что-то показалось мне странным. Я сказал Рею, что с холмика я вижу обнажения слоя, которых раньше не замечал.
В этот день идти туда было уже поздно. Всю ночь я размышлял, как же мы могли пропустить это место, работая от него на расстоянии брошенного камня? Единственным объяснением могла быть только закрывающая обнажение растительность.
Рано утром я взял с собой Рея и своего младшего сына Филиппа, и мы начали продираться сквозь кусты. На верхушке склона у меня появилось чувство, что сейчас мы увидим что-то важное. Карабкаясь вниз, я, смеясь, сказал Рею:
— Вот здесь-то мы и найдём череп.
Не успел я окончить фразу, как мой взгляд случайно упал на несколько обломков костей в маленьком разрытом овражке. Череп!
