Ирина Радунская - Безумные идеи
За последнее время для сильных взаимодействий стало известно семь законов сохранения – семь сохраняющихся величин (помимо закона сохранения энергии, законов сохранения импульса и вращательного момента). Эти законы позволили разобраться во взаимоотношениях между известными барионами (тяжелыми частицами) и мезонами, участвующими в сильных взаимодействиях, и предсказать существование многих новых частиц, открытых за минувшие годы.
Кванты и Будда
Здесь не хватит места для того, чтобы рассказать об увлекательных подробностях предсказания, поисков и открытий всех новых частиц, количество которых уже перевалило за 80.
Но нельзя не рассказать о замечательном открытии омеги-минус, сообщение о котором появилось в начале 1964 года. Омега-минус была открыта тогда, когда ученые убедились, что и семи законов сохранения им недостаточно для того, чтобы успешно двигаться дальше по дорогам микромира. Они пустились на поиски следующих.
В 1961 году два физика, американец Гелл-Манн и полковник израильской армии Нейман, работая независимо, создали удивительную теорию, которую даже не сразу решились публиковать.
Для того чтобы обсуждать новую теорию, ее нужно было как-то назвать. В этой теории впервые одновременно участвовало восемь квантовых чисел. Число «восемь» и вошло в название теории, хотя само название возникло случайно.
Кому-то из ученых пришел на память афоризм, приписываемый Будде. Он гласит:
«Вот, о монахи, благородная истина, которая ведет к прекращению боли: это благородный восьмиступенный путь, а именно путь через честные намерения, верные цели, правдивые речи, справедливые действия, праведную жизнь, правильные усилия, истинную заботливость, полную сосредоточенность».
Восемь ступеней, восемь заповедей Будды, должны были вести монахов к блаженству. Восемь законов сохранения, восемь квантовых чисел вели ученых к истине. Новая теория получила наименование «восьмиступенный путь».
И вот при помощи новой теории ученые набросали «портрет» неизвестной частицы. Частицы, которой никто никогда не видел, но которая должна была существовать, если «восьмиступенный путь» действительно вел к истине. Хотя эта частица не была известна, «восьмиступенный путь» позволял предсказать ее массу и то, что она должна обладать отрицательным зарядом. Эта невиданная частица должна была обладать к тому же странностью, равной минус три. Она должна быть устойчивой и могла распасться «лишь» через одну десятимиллиардную долю секунды.
Пожалуй, только охотник может понять чувство физика-экспериментатора, когда ему на глаза попалось описание примет новой частицы. Со старой берданкой сюда не сунешься. В путанице следов частиц на фотографиях прятался чрезвычайно редкий «зверь». И охота началась, как только была подготовлена вся необходимая снасть.
Протоны, ускоренные большим синхротроном, в результате сильных взаимодействий с ядром мишени образовывали пучок отрицательных К-мезонов. Каждые несколько секунд тщательно изолированный пучок, содержащий около десятка К-мезонов, попадал в пузырьковую камеру, где мезоны взаимодействовали с протонами (ядрами атомов водорода, который в жидком состоянии заполнял камеру).
Без сложного анализатора, работающего при помощи электронной вычислительной машины, вряд ли удалось бы отыскать среди 100 тысяч сделанных фотографий те две, на которых зафиксировано рождение омеги-частицы. Тщательное измерение и расчеты позволили установить, что вновь открытая частица и есть разыскиваемая омега-минус. Ее масса отличается от предсказанной менее чем на один процент.
Успех новой теории придал ученым смелость, и они предположили на ее основе существование еще трех частиц. Когда Гелл-Манн назвал свойства этих частиц, его коллеги пришли в изумление: две из них должны иметь заряд, составляющий треть электрического заряда электрона, а одна – две трети. Но ведь до сих пор электрический заряд электрона считался элементарным! Он был чем-то вроде эталона, мерила электрических зарядов микрочастиц. Недаром он был принят за единицу. И вот... восьмиступенный путь завел ученых в область электрического поля за пределами элементарной единицы измерения.
Это было очень дерзкое предсказание. Новые частицы Гелл-Манн назвал почему-то «кваками» (циаг), сославшись на строчку одного из романов Джойса со стр. 383. Многие теперь пишут и говорят «кварки», выговаривая «р», хотя правила английской грамматики это запрещают. Почему кваки и почему 383 – непонятно. То ли это намек на «треть – восьмипутка – треть», то ли просто озорство – почему бы даже серьезному ученому не выбрать название, которое укажет ему первая попавшаяся страница книги?
Ученые, наверно, не стали задумываться над такими пустяками, даже если им и не был известен секрет кваков. Не теряя времени они тотчас приступили к поискам новых частиц на Брукхевенском ускорителе. Для начала они решили обнаружить частицы с зарядом в одну треть от заряда электрона, как наиболее отличающимся от единицы. Но... опыт однозначно показал, что таких частиц не существует. Однако физики, как всегда, не были в своем заключении категоричны. Они только утверждают, что если такие частицы и существуют, то они должны иметь массу более чем две или три массы протона, а для создания частиц с такой массой не хватает мощности всех работающих в настоящее время ускорителей.
Так что на пути обнаружения кваков возникло чисто техническое препятствие, но это физиков не обескуражило. Их чаще радует не мгновенный успех, а то, что в какой-то момент выводы теории не совпадают с экспериментом. Значит, это место требует особого внимания, острой бдительности. Здесь надо ждать открытий!
Магические числа
Поразительное подтверждение предсказаний теоретиков вовсе не свидетельствует о благополучии в теории элементарных частиц. Здесь далеко не все в порядке. Пока это первые шаги в полутьме. Пока, изучая частицы, ученые пытаются сортировать их по признакам, свойствам, стараются их классифицировать. Но классификация – это ведь только вторая стадия познания. Сначала накапливаются факты. Потом делаются попытки их систематизировать, чтобы понять скрытые за ними закономерности. Только тогда, когда эти попытки систематизации оказываются удачными, возникает на ее основе надежда сформулировать объективный закон природы.
Так было и с периодической системой Менделеева, которому удалось обнаружить, что при расположении элементов по возрастающим атомным весам некоторые свойства их периодически повторяются. Менделеев не мог сказать, почему они повторяются, но, выявив эту закономерность и обнаружив, что в некоторых случаях она нарушается, он смог предсказать существование неизвестных в то время элементов. Элементов, само существование которых с неизбежностью вытекало из открытого им периодического закона. Они должны были существовать, если найденный закон верен.
Как известно, эти элементы впоследствии были обнаружены и заполнили пустующие клеточки в замечательной таблице. Это было триумфом науки.
Однако открытие закона еще не объяснило, почему этот закон существует, отчего появляется периодичность свойств, почему основной период равен 8, и почему существуют так называемые большие периоды, и отчего есть явное нарушение закона в семействе редких земель, состоящем из 18 различных элементов, которые пришлось поместить в одну клетку таблицы Менделеева (впоследствии такое же нарушение было обнаружено в семействе урана). Закономерность, лежащая в основе периодической системы Менделеева, была раскрыта только квантовой теорией атомов.
Примерно так же развивается сейчас теория элементарных частиц. Мы все еще находимся в стадии накопления фактов и более или менее удачных попыток их систематизировать. Существующие теории, в том числе и замечательный восьмиступенный путь, – только более или менее сложные вычислительные приемы. Никто не может сказать, как в дальнейшем будет развиваться теория.
Естественно ожидать, что сверхмощные ускорители, строящиеся в различных странах, позволят выявить новые неизвестные еще формы симметрии, установить новые сохраняющиеся величины, обнаружить новые частицы.
Уже при современном развитии техники эксперимент обгоняет теорию. Много новых частиц было открыто случайно. Все предсказанные теорией частицы удавалось обнаружить, и разрыв во времени между предсказанием и обнаружением все стремительнее уменьшается.
Но теория все еще напоминает некие шаманские обряды. Она основана не на глубоком понимании, а на почти интуитивном установлении неких правил, определенных операцией с индексами и числами, которые вполне заслуживают наименования магических.
