Охота за кварками
Шрифт:
Теория теплорода была прекрасно разработана. С. Карно в 30-х годах прошлого века с помощью понятия теплорода создал, как известно, теорию паровых машин. Тем не менее после того, как в сознании физиков укрепилось понятие о законе сохранения и превращения энергии, теплород был отброшен и забыт. О флогистоне забыли еще раньше.
История науки знает и еще более убедительный пример. Столетиями укреплялось и развивалось представление о мировом эфире, который якобы заполняет пространство и служит средой для распространения электромагнитных волн. Никто и ни в каком опыте не обнаруживал присутствия эфира, но без него, казалось, никак нельзя было объяснить распространение света и другие важные электромагнитные явления.
Свойства эфира описывали, старались определить его плотность, некоторые крупные ученые вычисляли вес атомов эфира. Но теория относительности навсегда отбросила эту гипотезу.
А между тем все факты и наблюдения, которые заставляли признать реальность существования классического эфира и вроде бы неопровержимо «доказывали» его присутствие, остались. Они только получили новое объяснение.
«Как и эфир, кварки — плод умственных спекуляций, — продолжают скептики, — ведь нет пока ни одного эксперимента, который однозначно требовал бы их реального существования. Разговоры о кварках — это дележ шкуры неубитого медведя. И давайте говорить не об охоте и о рыбной ловле, а лучше уподобим физиков-экспериментаторов инспектору-детективу. С точки зрения детективной истории о преступнике-кварке известно многое, если не все: заряд, спин и целый ряд других характеристик-примет. Бывало, ученые находили частицы, зная о них значительно меньше. И если рассуждать в таком ключе, то, видимо, следует честно признать: на сей раз приметы преступника (кварки) оказались придуманы самим сыщиком! Классификация элементарных частиц на кварковой основе, несомненно, очень удачна и полезна, соглашаются критики, — но искать в природе сами кварки ей-ей не стоит…»
Пока идут эти пререкания и споры (ведутся они и в наши дни), стоило бы вспомнить слова Э. Хемингуэя.
Вот что он писал в повести «Зеленые холмы Африки»:
«Настоящий охотник бродит с ружьем, пока он жив и пока на земле не перевелись звери, так же как настоящий художник рисует, пока он жив и на земле есть краски и холст, а настоящий писатель пишет, пока он может писать, пока есть карандаши, бумага, чернила…»
Добавим к этому: настоящий ученый не занимается спорами, а продолжает поиски. Разрабатывает все более совершенные методы для ловли кварков.
Так, в частности, в одной из недавних научных работ предложено воздействовать на поток капелек электростатической силой. Отклонение каждой капельки от первоначальной траектории пропорционально ее электрическому заряду. Поэтому капельки с дробным зарядом могут быть отделены от остальных.
А главное тут: при помощи этого способа можно исследовать тысячи (интенсификация поисков кварков!) капель в секунду.
Эта глава подошла к концу. Мы видим, что ядерное сафари пока успехом не увенчалось. Непойманные кварки остаются величайшей загадкой физики наших дней.
В чем тут дело? Может, в том, что мы еще плохо понимаем общие законы природы, правила ее игры? И поэтому стучимся в намертво заколоченные двери? Возможно, так.
И есть смысл сейчас поговорить об общих основаниях физики, о том, как эта наука в целом представляет себе окружающий нас мир.
3
В поисках простоты
Пусть все дела ваши будут как два или три, а не как сотня или тысяча; вместо миллиона считайте до полдюжины и все свои расчеты ведите на ногте большого пальца.
Простота, простота и еще раз простота!
У человека на каждой руке всего лишь пять пальцев.
Не дюжина, не сотня! У всех цветков яблони пять лепестков. И вообще над живой природой явно довлеет «магия пятерки»: пять органов чувств, пятилучевая симметрия у иглокожих, пять пар конечностей у многих насекомых…
Пять ли, два (самцы и самки у высших животных, третьего пола нет!), семерка ли (с этим числом у человека недаром связаны многие суеверия и фольклорные образы) не суть важно, отметим другое — природа оказывает явное предпочтение малым числам перед большими. Она как бы стремится к наивозможной простоте.
То же в природе неживой (а нас интересует физика).
Сортов зарядов только два: положительные и отрицательные. Обратная пропорциональность квадрату расстояния величин гравитационного и электрического взаимодействий. Трехмерно пространство, в котором мы существуем. Вновь похоже, что Природа, следуя совету Г. Торо, ведет свои расчеты на ногте большого пальца. Всячески избегает громоздкости больших чисел.
Что это: случайность или закон? Глубинное качество материи, упрятанное под многими слоями внешне кажущихся хаотическими нагромождений? Просты ли законы природы или же сложны?
Попробуем в этом хотя бы немного разобраться.
Нити в гобелене
Кто-то из ученых сравнил физику с лоскутным одеялом, где лоскутки-закономерности пригнаны друг к другу кое-как, наспех, где проглядывают связывающие эти «заплатки» ниточки самых неподходящих (черное на белом!) цветов. Да, такое впечатление может произвести природа на профанов. А вот профессионалы знают: сквозь этот сумбур и мельтешение отчетливо виден лик Простоты.
Вещество связывают в ядра, атомы, предметы, горы, планеты, галактики всего лишь четыре вида основных сил. Силы электромагнитные, гравитационные силы, силы сильные и силы слабые.
Тяготение, определяющее структуру космоса, и электромагнетизм, благодаря которому в наших приемниках звучит музыка и светятся экраны телевизоров, известны человеку сравнительно давно. Но лишь в начале нашего века благодаря успехам атомной физики были открыты еще два фундаментальных взаимодействия — сильное и слабое.
Для тяготения и электромагнетизма характерно дальнодействие — потому их так быстро и распознали. Власть этих сил простирается до безмерных далей, теряющихся в космических глубинах.
Иное у ядерных сил (силы сильные и силы слабые).
«Руки» у них коротки. Им по плечу только малые субъядерные расстояния. Сильные силы обусловливают целостность атомных ядер и частиц. Они связывают между собой протоны и нейтроны в атомном ядре и кварки внутри протонов и нейтронов. А вот силы слабые наоборот — именно они ответственны за развалы ядер и частиц.
Именно их стараниями в мире элементарных частиц целое распадается на части. Приведем только один, но важный пример могущества слабых сил. Если бы удалось «выключить» слабые силы, то погасло бы Солнце, ибо «выгорание» содержащегося в светиле водорода, его превращение в гелий прекратилось бы.