Юрий Георгиевич Чирков

Охота за кварками

Введение

Они пристально вглядываются в будущее и ждут появления новой теории элементарных частиц, как юная Ассоль ждала принца на корабле с алыми парусами.

Альберт Вейник

В 1931 году чешский писатель Карел Чапек побывал в Голландии. В очерке «Знакомство с чужими странами» он писал: «В большинстве случаев нынешний путешественник проделывает в чужих странах, так сказать, обратный путь по истории. Начало его новым познаниям кладет центральный вокзал в столице; только после этого, постепенно, шаг за шагом он переходит к все более и более старинным предметам, как-то, скажем: кафедральные соборы, старинное искусство и амстердамское гетто, и только напоследок, в конце своих странствий, он открывает и голос самой страны, вроде мычания черно-белых коров или скрипа крыльев ветряных мельниц…»

Физиков, как, впрочем, и ученых других специальностей (наука едина: деление ее на отдельные дисциплины произвольно и временно!), тоже можно было бы уподобить путешественникам, отправившимся в некую условную страну. Как назвать ее? Страна Логики? Мекка Смысла? Царство Основных Законов?

И физики сначала различают в незнакомых краях лишь привычное, сходное с тем, что они оставили «дома»; и, как и обычные пилигримы, лишь постепенно начинают слышать «голос самой страны».

И все же аналогия эта не совсем точна! В книге речь пойдет о физике микромира, а значит, о мирах, масштабы которых — и временные и пространственные — становятся тем меньше, чем далее «путник» отходит от родных пенатов. Он простирает руки к «Африкам» и «Америкам», которых и в микроскоп-то не различишь — ко всем этим гиперонам, нейтрино, мезонам… Какое уж тут мычание черно-белых коров!

Гораздо лучше поиск физиков-ядерщиков сравнить с охотой. Но с охотой в особом, диковинном «лесу», заселенном невиданными чудищами и химерами, среди которых наиболее поразительны кварки.

Вот уже 20 лет как кварки продолжают интриговать ученых. Они многое объяснили и могли бы стать первоэлементами, из которых построен мир, если бы… если бы их удалось обнаружить! И охота за ними продолжается.

Как поймать африканского льва? Очень просто, шутят физики. Помещаем в заданною точку пустыни клетку, входим в нее и запираем изнутри. Затем производим инверсию пространства по отношению к клетке. Теперь лев внутри, а мы снаружи: лев пойман!

И шутки эти под стать их работе. Они тоже охотники, только необычные. Буквально стреляют из пушек по воробьям — многокилометровые ускорители построены для ловли крошек-невидимок. Часто не знают, на какого зверя отправляются охотиться. Порой не ведают, что делать с уловом, который, кстати, может исчезнуть у них на глазах…

О нетривиальности путей познания, которыми идут ученые, о фантастичности картины, открывающейся их глазам, о новейших научных приобретениях физики и будет рассказано в этой книге.

1. Элементарная неэлементарность

Мы пошли на площадь ученых. О, сколько там было ссор, разборов, схваток и погони друг за другом! Редко тут у кого-нибудь не было тяжбы с кем-нибудь иным; не только молодые (что можно было бы приписать незрелости), но и сами старики досаждали друг другу… Стоило кому-нибудь что-либо высказать, как другой тотчас шел на отпор, даже о снеге и то затевали спор: белый ли он, или черный, горячий ли, или холодный.

Ян Амос Коменский. Лабиринт мира и рай сердца

— Что ни сезон, то мезон, — любил подтрунивать над физиками-ядерщиками академик С. Вавилов. Дело было в конце 40-х годов.

А в 1971 году член-корреспондент АН СССР Д. Блохинцев в беседе с журналистами рассказывал: «Когда я начинал работать в Объединенном институте ядерных исследовании в 1956 году, вот эта полка, где стоят отчеты о международных встречах физиков-атомщиков, была почти пустой. Теперь, как видите, она буквально забита материалами о конференциях, симпозиумах, семинарах.

Открылась новая область исследований. Физики обнаружили целый мир элементарных частиц. Когда-то я сам для себя составлял таблицу таких частиц, и мне понадобился лишь один вечер. А сейчас это уже довольно сложная схема. Специальный международный центр выпускает сведения об элементарных частицах, и каждый год они составляют тетрадку объемом около 50 страниц. Но даже специалисты, работающие в этой области, не могут вполне точно ответить на вопрос: сколько же в данный момент известно элементарных частиц?..»

Да, 10–15 лет назад под лавиной открытий оказался погребенным один из основополагающих для микромира терминов. Каждый год все более увеличивал группу «элементарных частиц». Открытия все новых и новых членов этой чересчур многочисленной семейки становились почти будничным делом, волнующим разве что узкий круг специалистов. Все это в конце концов не могло не привести к девальвации эпитета «элементарный». Так, уже в который раз подверглась сомнению с таким трудом ставшая достоянием большой науки идея атомизма.

Демокрит

Если взять какое-нибудь достаточно массивное тело и начать его дробить, получатся части, обладающие теми же свойствами, что и исходное тело. Тривиальная вроде оы мысль!

Но возьмем мяч, утюг, сковородку и разрежем, разломим их хотя бы пополам. В руках у нас окажутся полумячи, полуутюги, полусковороды — вещи, явно лишенные своих изначальных качеств. Предметы настолько же аосурдные, как, скажем, полтора дровосека.

Еще один образ. В рое пчел мы издали не видим отдельных насекомых. Все пчелы сливаются для нас в одну сплошную пчелиную тучу. Но это не значит, что пчел нет. И ясно также, что, вознамерившись разъять отдельных пчел на составляющие, мы вновь получим те же полсковороды.

Мораль? Дробление роя, так же как и дрооление любого физического тела, имеет смысл проводить лишь до некоторого предела. Вот так, естественным образом, и возникает в сознании идея атомизма.

Наиболее отчетливо это учение сформулировал один из величайших философов древности, грек Демокрит (жил в 460–370 годах до новой эры).

Демокрит учил: все состоит из невидимых для нас крошечных частичек, настолько малых, что меньшего и представить невозможно. Эти частички Демокрит назвал атомами, что по-гречески значит «неделимые».

Атомы, вызывая в нас ощущение сладкого, горького, белого, черного, сами не могут быть подвержены какимлибо действиям извне. Они неразрушимы, неизменяемы, вечны и могут только комбинироваться в самых разных сочетаниях. Чем же отличаются различные атомы меж собой? тт Четкого ответа Демокрит, естественно, не мог дать. И тут он поневоле вступал на шаткий путь догадок и домысла.

Атомы воды, полагал Демокрит, круглы и гладки. Оттого-то вода текуча и не имеет определенной формы. Атомы огня колючи — потому и жжет огонь так больно.

Атомы земли грубы и зубчаты — в результате соединенные вместе, они и образуют тяжелую и стабильную субстанцию.

Демокрит допускал, что атомы имеют разные размеры. И есть среди них и более тяжелые, и более легкие.

Различаются они и формой. Должны существовать атомы крючкообразные, якоревидные, шероховатые, угловатые, изогнутые — иначе они не сцеплялись бы друг с другом.

Любопытно, что, хотя Демокрит считал атомы неделимыми физически, он допускал у них мысленное выделение частей. И в самом мелком атоме были и верх и аиз, и левое и правое, и переднее и заднее, и середина.

Демокрит был настолько атомистом, что даже душу человеческую представлял состоящей из атомов — огненных, тонких, круглых и гладких. После смерти человека они разбредаются по Вселенной в разные стороны. Таким образом, Демокрит в бессмертие не верил.

И боги, полагал этот философ, также являют собой лишь комбинации атомов!

Когда поминают славное имя Демокрита, само собой в сознании возникает слово «атом». Но то, что он гениально выделил еще одну важнейшую сущность бытия, остается как-то в тени. А ведь Демокрит ввел понятие «вакуума», или пустоты, которое так интересует и интригует самоновейшую физику.

Атомы Демокрита немыслимы без пустоты. Она является основным условием движения атомов. В ней совершают свои замысловатые «танцы» атомные «вихри»; соединяются, сближаясь, в тела и отталкиваются, приводя к распаду и разложению. Так что материя есть не только атомы, но и пустота. И второе обстоятельство не менее важно, чем первое.

Вот этой тонкой диалектики Демокриту уже при его жизни многие никак не могли простить. А главным оппонентом Демокрита стал не менее великий философ древности грек Аристотель (384–322 годы до новой эры).

Если Демокрит был убежден в дискретности материи, в возможности (хотя бы мысленной!) разъять ее на отдельные части, блоки, то Аристотель проповедовал обратное — абсолютную непрерывность, сплошность материи, отсутствие в ней каких-либо пропусков или пустот.

Мир Аристотеля до отказа заполнен, набит веществом. В нем нет ни одной даже самой ничтожной щелочки.

Поэтому-то у Аристотеля нет ни пустоты-вакуума, ни мельчайших неделимых частиц-атомов, которые бесконечно падают, снуют, мчатся в этой пустоте.

Кто же прав? Демокрит? Аристотель? Этот спор, начатый великими греками, проходит сквозь всю двухтысячелетнюю историю естествознания. Не закончен он (мы убедимся в этом позднее, когда разговор пойдет о свойствах вакуума) и по сей день. И непохоже, чтобы он был разрешен в ближайшем будущем.

Диспут в Париже

Учению Аристотеля ы повезло, и нет. Его подняла на щит, сохранила для потомков, пригладила, отшлифовала, канонизировала церковь. Но она же и выхолостила это учение, убила в Аристотеле все живое и ценное, увековечив мертвое, догматическое. В. И. Ленин в одной из своих философских работ писал, что из Аристотеля в дальнейшем «сделали мертвую схоластику, выбросив все поиски, колебания, приемы постановки вопросов».

Имя Аристотеля, как и святое распятие, душило все новое, прогрессивное, живое. Наука смогла возродиться после тысячелетнего застоя лишь в XV–XVI веках в тяжелой борьбе со средневековой схоластикой церкви, поддержанной авторитетом Аристотеля.

Возродить взгляды Демокрита, дать им достойное место в науке пытался яркий представитель науки Возрождения английский философ Ф. Бэкон (1561–1626). Барон Веруламский, виконт Сент-Олбанский, лорд — хранитель печати, лорд-канцлер, занимавший важные посты, Ф. Бэкон основной целью своей жизни ставил работу над планом «Великого восстановления наук», освобождения их от схоластических пут церковной догматики.

В многочисленных трудах (главный из них — «Новый органон») Ф. Бэкон выковывал истинно научный метод исследований. Эмпириков, ограничивающихся только опытом, он сравнивал с муравьями, суетливо переносящими тяжести; догматиков, строящих системы силой одного только разума, уподоблял паукам, ткущим из себя паутину; настоящий ученый, считал Ф. Бэкон, должен быть подобен пчеле, собирающей сок из растений (эксперимент) и затем перерабатывающей его в мед своими силами (интеллект).

(Сейчас подобные взгляды могут показаться тривиальными и наивными. Но не следует забывать, что высказывались они в темные годы средневековой схоластики, когда в публичных диспутах в Сорбонне решался, скажем, вопрос о том, сколько же чертей может уместиться на острие иглы!)

Анализируя причины заблуждения разума, Ф. Бэкон указывал на четыре ложные идеи-«призрака», или «идола»: «призрак рода» — очеловечивание природы; «призрак пещеры» — ошибки, связанные с индивидуальными особенностями и недостатками человека-исследователя; «призрак рынка» — некритичное отношение к широко распространенным в обществе мнениям; «призрак театра» слепая вера в авторитеты и традиционные догматические системы.

Понятно, что Ф. Бэкон пытался всячески восстановить, оживить все здоровые идеи прошлого, все ценные мнения древних мыслителей, придавленные авторитетом оскопленного церковью Аристотеля. Поэтому он открыто противопоставляет Демокрита «говорунам» Платону и Аристотелю и ставит своей задачей воскресить атомистику Демокрита, преданную незаслуженному забвению.

В «Новом органоне» Ф. Бэкон пишет: «Варвары обрушились на Римскую империю, как наводнение, причем корабль науки был разбит в щепы. Философия Аристотеля и Платона, подобно обломкам из более легкого и пустого материала, была волнами времени сохранена до нас… Но что касается более древних из греческих ученых — Эмпедокла, Анаксагора, Левкиппа, Демокрита… то их произведения… были уничтожены в потоке времени. Ведь время как река: более легкое и пустое внутри оно донесло до нашего времени, более тяжелое, веское погрузило на дно».

Увы! До полной реабилитации атомистики Демокрита должны были пройти еще долгие годы. Церковь зорко следила за инакомыслящими и жестоко карала их. Свидетельством этому служат многие факты истории. Один из них приводит в своих работах о Демокрите советский историк С. Лурье.

В августе (24 и 25) 1624 года французскими учеными в Париже был назначен публичный диспут с целью опровергнуть Аристотеля. Четырнадцатый тезис программы провозглашал атомистическую концепцию. В программе говорилось также, что Аристотель по невежеству или, что еще вероятнее, по недобросовестности высмеял учение, по которому материя состоит из атомов… Руководители диспута обещали защищать этот тезис с крайней решимостью и неустрашимостью. Слово «неустрашимость» не было пустой риторикой или научным кокетством: в момент открытия диспута один из его устроителей, де Клав, был арестован, а другому, Виллону, удалось скрыться. Карающая десница действовала.

Парламент постановил: запретить диспут; торжественно и публично изорвать объявленные тезисы; всех зачинщиков этого дела выслать в 24 часа из Парижа с запрещением въезда в Парижский округ; запретить преподавание изложенных в тезисах взглядов, содержащих полемику со старыми и общепризнанными авторитетами, во всех французских университетах. Конец указа был крайне суров: всякому, кто устнс или печатно осмелился бы выступить с такой полемикой, грозила смертная казнь.

Так, авторитет Аристотеля (а ведь его можно по праву считать одним из отцов науки!) был приравнен к авторитету Евангелия!

Дальтон

Истинное возрождение атомистики началось в начале XIX века. В 1802 году английский физик (изучая газовые смеси, он открыл закон парциального давления газов, 1801 год) и химик Д. Дальтон (1766–1844) нашел, что основные факты химии получили бы лучшее объяснение, если считать, что каждый химический элемент можно представить себе в виде мельчайших, далее неделимых частиц. Каждому элементу, полагал Д. Дальтон, соответствует свой тип частиц, а их всевозможные комбинации и образуют все изучаемые химией вещества.

Повторяя Демокрита, Д. Дальтон назвал эти частицы атомами.

Многие факты научной карьеры и научных достижений Д. Дальтона, несомненно, обусловлены особенностями его биографии и его личными свойствами.

Сын бедного ткача, он вынужден был ограничиться самообразованием, хотя и стал в 1822 году членом Лондонского королевского общества, а средства к жизни находил, давая частные уроки по химии и математике. Все это не могло не способствовать самостоятельности и независимости научных суждений Д. Дальтона.

Играло здесь, видно, роль и то, что был он из семьи квакеров. Эта религиозная секта трясунов (английское слово quakers буквально означает «трясущиеся») отвергала официальную церковь и ее каноны. Челсвек, считали къакеры, без посторонней помощи и посредников сам может вступить в непосредственный контакт с всевышним.

Особенностью Д. Дальтона было еще и то, что он первым описал цветовую слепоту (дальтонизм, дефект зрения у людей, заключающийся ь смешении красных цветов с зелеными и синих — с фиолетовыми и пурпурными). И одновременно сам же страдал этим недостатком.

Злые языки утверждали по этому поводу, что цветовая слепота Д. Дальтона очень мешала ему при проведении химических опытов: ведь химик должен быть способен следить за цветовыми изменениями в ходе химических реакций. Злословили: это-де и является одной из причин, почему Д. Дальтон был довольно неуклюжим и неряшливым экспериментатором.

Однако оставим эти замечания на совести дотошных биографов. Вопреки своим недостаткам — а может быть, благодаря им — этот учитель из Манчестера в 1808 году стал автором первого тома капитальнейшего труда «Новая система химической философии» (третий том вышел в 1827 году), где был всесторонне обоснован атомизм химических превращений.

В этом труде Д. Дальтон ввел и свою систему химических обозначений.

Химики древнего мира и средних веков для обозначения веществ использовали в основном символы. Так, когда-то семь главных металлов изображали астрономическими знаками семи небесных светил: Солнце (золото), Луна (серебро), Юпитер (олово) и так далее.

Д. Дальтон предложил обозначать атомы химических элементов кружками, внутри которых помещались точки, черточки, начальные буквы английских названий металлов. К примеру, водород был обозначен как кружок с точкой внутри — 0, кислород — пустой кружок О азот — (+, углерод — ф… Эта нотация в дальнейшем не прижилась, позднее атомы элементов стали обозначать начальными буквами их латинских и греческих названий.

Атомистические взгляды позволили Д. Дальтону рассчитать атомные веса различных элементов (за единицу он взял легчайший атом водорода). Однако ученый при этом ошибочно руководствовался «законом наибольшей простоты»: атомы элементов, полагал Д. Дальтон, должны вступать в соединения между собой в простейших отношениях. Поэтому известная школьникам химическая формула молекулы воды Н_2О по Д. Дальтону имела вид О Т — Молекула аммиака — QO (вместо верной формулы КН_3). (Хотя Д. Дальтон уже умел отличить окись углерода СО, он обозначал ее Оф, от углекислого газа СО_2-ООФ).

Д. Дальтон вернул атомистике ее заслуженное место в науке. Взгляды ученого, хотя и не сразу, нашли понимание и признание. Немудрено, что сам он был атомистом до мозга костей (демокритнее Демокрита!). Для него, по свидетельству одного из биографов, атомы — ученый представлял их в виде упругих шариков — были такой же реальностью, как если бы он видел их наяву собственными глазами, трогал руками. «В своем воображении, — пишет биограф, — он видел в воздухе атомы кислорода, азота и водяного пара. Он рисовал их на бумаге…»

Неделимое — делимо!

Атомистика торжествовала. Многообразный мир оказался сработанным примерно из сотни типовых блоков — атомов, или элементов. Однако в самом конце прошлого века, как бы издеваясь над успехами атомной теории, была открыта еще одна частица. Для нее в таблице Менделеева отдельного места уже не нашлось!

Приблизительно к 70-м годам прошлого века среди физиков все более крепло убеждение в том, что точно так же как все вещества составлены из крошек атомов, так и поток электричества должен быть сформирован из очень малых дискретных порций — элементарных зарядов.

К открытию электрона — а именно о нем пойдет дальше речь — причастны многие выдающиеся ученые, но последнюю точку в этом деле поставил английский физик, член Лондонского королевского общества Дж. Томсон (1856–1940).

Объектом изучения для Дж. Томсона стали катодные лучи. Они возникают при прохождении электрического разряда через сильно разреженные газы. Какова природа лучей? Ученые долго бились над этим. Много лет исследованию этого явления посвятил и английский физик У. Крукс (1832–1919). Он обнаружил: эти лучи искривляют свой путь в магнитном поле; их отталкивают отрицательно заряженные тела; распространение этих лучей прямолинейно; если на пути лучей поставить какой-либо объект, то за ним довольно отчетливо наблюдается тень…

Как же правильно истолковать все эти факты?

После долгих раздумий У. Крукс в конце концов уверился: катодные лучи вовсе не излучение, как полагало тогда большинство физиков, они представляют собой летящие в одном направлении с огромными скоростями отрицательно заряженные частицы.

Укрепившись в этой истине, ученый стал убеждать других. Он начал говорить об особом состоянии материи.

Об ультратазе, о чем-то, что напоминает разреженный и неосязаемый газ, если сравнивать его с жидкостью.

Эти заявления были восприняты научной общественностью с понятным холодком и сдержанностью. Кое-кто был настроен даже враждебно.

По все это не охладило пыла У. Крукса. В 1874 году он прочел в Шеффилде доклад под названием «Лучистая материя, или Четвертое состояние вещества». Ученый настаивал: катодные лучи — это «осколки» атомов, и атомы нельзя считать «неделимыми» так буквально, как это понимали Демокрит и Д. Дальтон.

Ересь? Подрыв основ? Многие так это и восприняли.

Были даже и такие оппоненты, что просто считали У. Крукса сумасшедшим. Кстати, как правило, склонные к материализму физики имели весомые основания относиться к взглядам У. Крукса с подозрением: ведь он был убежденным и открытым сторонником… спиритизма. Известно, что критика спиритических «исследований» У. Крукса была дана Ф. Энгельсом в статье «Естествознание в мире духов».

Но удивительно, в вопросе о природе катодных лучей и об атомизме вообще Крукс-спирит оказался прав. Его правоту подтвердила серия классических работ, выполненных Дж. Томсоном и его сотрудниками. Эти исследования и привели к открытию электрона.

Дж. Томсон заставил катодные лучи падать на поставленную вертикально к ним фотографическую пластинку.

Затем он включил электрическое и магнитное поля. Они искривили траекторию лучей (одно изгибало лучи в горизонтальном, другое — в вертикальном направлениях). Эти смещения следов на фотопластике определялись скоростью движений лучей v и отношением их заряда к массе — е, т. Измерив горизонтальные и вертикальные смещения следа, Дж. Томсон смог написать два уравнения с двумя неизвестными v и v, Оставалось лишь решить эту систему, что Дж. Томсон и сделал.

Результат этих почти школьных упражнений оказался революционным для физики. Получилось (более поздние опыты), что масса у электронов (корпускул, составляющих катодные лучи) в 1837 раз меньше, чем масса самого легкого и мелкого из атомов — атома водорода.

Дробление материи зашло ниже атомных размеров!

Год 1897-й считается годом открытия электрона — первой элементарной частицы — и началом совершенно новой эры в атомизме. Это выдающееся достижение Дж. Томсона было увенчано Нобелевской премией по физике (1906 год). У себя на родине ученый был удостоен высших почестей: в 1908 году Дж. Томсон был торжественно возведен в рыцарское достоинство — получил титул knight. И посмертно ему была оказана высокая честь: он был похоронен в Вестминстерском аббатстве рядом с останками И. Ньютона.

Начало XX века оказалось для физики трудным временем. Наконец-то были получены реальные доказательства правоты Демокрита и Д. Дальтона: атомы перестали быть фикцией. Но одновременно одним махом физики расправились и с идеей неделимости атомов, добровольно поставив крест на старых, довольно удобных представлениях.

Из пушек — по воробьям

Удивительно, как быстро освоили физики новые понятия.

Еще вчера они отрицали электрон, а сегодня (первые годы XX века) начали подыскивать для него местечко внутри атома.

Ход рассуждений был таков. Атомы электрически нейтральны. Если в них содержатся электроны, то там должны быть запрятаны и еще какие-то положительно заряженные сущности, которые нейтрализовали бы суммарный отрицательный заряд электронов. Отсюда естественным путем и возникла первая модель атома — модель «пудинга с изюмом». Ее предложил в 1903 году все тот же Дж. Томсон.

По Дж. Томсону, атом представлял собой положительно заряженную сферу с вкрапленными в нее (как изюм в пудинге) незначительными по размеру — в сравнении с атомом — электронами. Предполагалось, что силы притяжения положительно заряженной сердцевины атома уравновешиваются силами их (электронов) взаимного отталкивания.

В те же годы были выдвинуты и другие представления о структуре атома.

В 1901 году французский физик Ж. Перрен (1870–1942) в статье «Ядерно-планетарная структура атома» рассуждал о том, как электроны-планеты кружатся по орбитам вокруг положительно заряженного ядра-Солнца.

Ж. Перрен был известным популяризатором науки (его книга «Атомы», 1913 год, стала классической и воспитала не одно поколение). Образы, сравнения давались ему легко; модели, аналогии быстро соскальзывали с кончика его пера. Гораздо труднее было обосновать, экспериментально доказать правильность тех пли иных моделей.

Спор Дж. Томсона и Ж. Перрена решил опыт. Физики прибегли к средству, которое впоследствии принесло им столько побед — они занялись атомной стрельбой по атомным же мишеням. Руководил этой пальбой Э. Резерфорд (1871–1937).

Сын шотландца, эмигрировавшего в Новую Зеландию и ставшего там фермером, Э. Резерфорд поступил в Новозеландский университет. Еще студентом заинтересовался он беспроволочным телеграфом и построил детектор электромагнитных колебаний. Это дало ему право на поездку в Англию в Кавендишскую лабораторию, которой руководил Дж. Томсон.

Момент был драматическим. Э. Резерфорд был вторым кандидатом. Английским стипендиатом мог стать и не он.

Однако — к великому счастью для пауки — первый претендент решил жениться и остаться в Новой Зеландии.

Рассказывают, что эти новости настигли Э. Резерфорда, когда он выкапывал картошку на ферме своего отца.

Отбросив лопату далеко в сторону и заявив: «Это последняя картошка, которую я выкопал», Э. Резерфорд отложил свою собственную женитьбу — он был помолвлен — и уехал в Англию.

Дж. Томсон вскоре вполне оценил громкий голос, не очень вежливые манеры новичка и его (сам метр был неважным экспериментатором) очень ловкие в работе руки.

Первые исследования Э. Резерфорд а были посвящены радиоактивности. Именно он дал название альфа (а)-, бетта (р) — и гамма (у) — лучам, ввел период полураспада радиоактивных элементов, доказал, что альфа-лучи представляют собой ионизованные (лишенные двух электронов) атомы гелия.

Э. Резерфорд действовал в науке стремительно и плодотворно. В 1908 году он был удостоен Нобелевской премии, но не по физике, а по химии. Ученый негодовал, возмущался: он был физиком, что называется, с головы до ног и старался совсем не совать свой нос в химию.

И вдруг такое!.. И если его что-то и утешало, так это быстрые успехи в атомной стрельбе.

С 1906 года лорд Нельсон (позднее, в 1931 году, за научные заслуги Э. Резерфорд получил этот громкий титул), действующий совсем в духе прославленного английского флотоводца, организовал систематический обстрел атомов. Снарядами были α-частицы, мишенью — металлические экраны из фольги.

Результаты этих исследований вскоре потрясли научный мир, хотя все это было похоже на стрельбу из пушек по воробьям!

Действительно, подавляющее большинство атомных снарядов с легкостью пролетало сквозь толстенный слой золотой фольги (толщиной в несколько тысяч атомов), как если бы она была прозрачной, и регистрировалось на фотопластинке, помещенной за экраном. Следовательно, атом в целом представляет собой весьма рыхлое образование с множеством пустых областей. (Так ученик опроверг модель своего учителя Дж. Томсона.)

Однако, к удивлению Э. Резерфорда, отдельные α-частицы искривляли свою траекторию заметным образом.

Некоторые даже поворачивали назад! «Как если бы я увидел 16-дюймовый снаряд, отскочивший от листа газетной бумаги» — так комментировал свои опыты экспансивный Э. Резерфорд. Он же дал и верную интерпретацию этому явлению. Вывод мог быть только один: частицы-пробники сталкивались с чем-то очень массивным, непроницаемым и заряженным положительно.

Так Э. Резерфорд в 1911 году открыл у атома ядро.

Атомно-артиллерийские залпы раздробили-таки атом, подтвердив верность планетарной модели Ж. Перрена.

Атом теперь можно было разбирать на части: ядра и электронные оболочки. И еще в атоме было преизобилие пустоты, того вакуума, о котором первым заговорил Демокрит.

Электроны способны перемещаться относительно ядра.

Они «размазаны» по пространству. Потому-то атомы и выглядят твердыми материальными образованиями. Но все это видимость, мишура. Легко показать, что пустота отвоевала себе в атоме львиную долю объема.

Размер атома 10-8 см, его объем 10-24 см^3. Те же величины для ядра (следствие опытов и расчетов Э. Резерфорда): 10-12 см (размер ядра) и 10-36 см^3. Так что на долю ядра в атоме приходится только 10-36/10-24 = = 10-12 часть (!), где и сконцентрировано 99,9 процента всей массы атома.

Так вакуум еще раз, и очень весомо, напомнил о себе.

«Зоологический» период

Две тысячи лет понадобилось науке, чтобы удостовериться в том, что все вещества состоят из молекул. Еще через 200 лет ученые низвели молекулы до атомов, разъяв и их на составляющие. А всего примерно 20 лет спустя они осознали, какое скопище частиц скрывается под атомной оболочкой.

В 1914 году Э. Резерфорд подверг обстрелу электронами водород. При этом нейтральные атомы становились положительно заряженными. Ученый отождествил их с положительным зарядом, находящимся согласно ядернопланетарной модели Ж. Перрена в центре атома водорода. Так был открыт протон. Имя ему дал Э. Резерфорд.

Дальше — больше: в 1930–1932 годах тот же лихой артатомообстрел выбил из недр ядра новую частицу — нейтрон (он подобен протону, но лишен заряда, «нейтрум» по-латыни значит «ни то, ни другое»). Тогда же (1932) советский физик Д. Иваненко выдвинул гипотезу — она вскоре была подтверждена и общепринята, — что все атомные ядра состоят из протонов и нейтронов.

Наконец-то смысл таблицы Менделеева стал абсолютно ясен. Количество протонов в ядре и равное ему количество электронов на орбитах определяет тип атома, его точное место в таблице Менделеева. Суммарное же количество протонов и нейтронов в ядре обусловливает атомную массу.

На радостях физики собрались за праздничным столом. Однако заздравные тосты — славили стройность картины мироздания! — то и дело прерывали все новые и новые сообщения об открытии нежданных, казалось бы, даже лишних, непрошеных элементарных частиц.

Этот «бум» открытий требовал все новых имен. В спешке частицы сылп называть просто буквами. Так возникли А-частицы, Z-частицы и многие другие.

Позитрон, нейтрон, мю-, пи-, ка-мезоны, дельта-барионы, омега-гипероны, антипротон, антинейтрон, кси-минус-гиперон, анти-снгма-мииус-гиперон, многочисленные резонансы, о которых ученые долго спорили, считать ли их за элементарные частицы или нет, семейство пси-частиц…

Получилось, что в шутливом лозунге из фильма М. Ромма «9 дней одного года» (А. Баталов и И. Смоктуновский играли в нем физика-экспериментатора и физика-теоретика) — «Откроем новую частицу в третьем квартале!» — был вполне реальный смысл. Ведь примерно за 30 лет, считая с послевоенного 1945-го, в среднем в мире открывали одну частицу в месяц!

Было отчего сойти с ума. Демографический взрыв народонаселения на планете сопровождался «демографическим взрывом» и в ядерной физике. Число элементарных частиц достигло к 1974 году двух сотен — примерно в два раза больше, чем элементов в таблице Менделеева!

Раздраженные, огорченные неудачей многочисленных попыток как-то систематизировать ораву элементарных частиц, навести тут хотя бы относительный порядок, физики назвали это смутное время «зоологическим» периодом. (Об этой черной полосе ядерной физики и вспоминал в начале этой главы Д. Блохинцев.)

В те времена какой-то весельчак подсчитал, что с 1911 года число элементарных частиц удваивалось каждые 11 лет (средний период солнечной активности!). Он же отметил, что точно так же (лишь немного медленнее, всего на 1 процент) растет и численность физиков. Но тогда получалось (задача на сложные проценты), что через 13 тысяч лет на Земле будет ровно столько физиков, сколько открыто будет к тому времени элементарных частиц. И каждый физик станет специализироваться на своей собственной частице, и каждый будет прославлен.

Но ученые смеялись сквозь слезы: «элементарными» можно назвать три, пять, ну, десяток микрообъектов, не больше! Счет же на сотни означал одно: физика элементарных частиц переживает кризис. Теперь необходимо было уже не открывать новые частицы, а «закрывать» старые.

Джойс

А теперь стоит немного рассказать о человеке, который, не будучи физиком и совершенно не помышляя об этой науке, тем не менее оказался с нею связанным и даже помог дать название этой книге. Речь пойдет об ирландском писателе Д. Джойсе (1882–1941).

Родился он в Дублине, столице Ирландии, где также появились на свет О. Уайльд, Б. Шоу, поэт Б. Йитс.

Окончив Дублинский университет, в 1904 году Д. Джойс навсегда покинул родину, жил в Италии, Швейцарии, Париже.

В творчестве Д. Джойса нас будет интересовать лишь его последний роман — «Поминки по Финнегану», с подзаголовком «Жизнь человека ночью», которому он отдал 17 лет труда (тяжелого еще и потому, что зрение писателя катастрофически ухудшалось). Публиковался роман по частям в журналах под названием «Работа движется», окончательно увидел свет в мае 1939 года.

Содержанием этого произведения стали сновидения центрального персонажа Ируикера, хозяина одного из дублинских трактиров. Он засыпает после тяжелого субботнего вечера в своем заведении, где продавал посетителям пиво и виски.

Сон трактирщика — повод для Д. Джойса средствами сна проиграть всю предысторию и историю человечества, которая, по его мнению, кругообразна, циклична и потому не имеет ни начала, ни конца.

Роман отличается характерной для сна непоследовательностью, провалами в цепи развития событий, необыкновенными превращениями: так, четыре стены в спальне Ируикера говорят голосами четырех евангелистов, мертвые воскресают и т. д.

Здесь много комических эффектов, буффонады, ирландского фольклора. В частности, в романе использована баллада, где поется о Тиме Финнегане, каменщике, который упал со стропил и разбился насмерть. Друзья стали справлять по нем поминки. Но кто-то из них разбил бутылку виски, брызги попали в лицо Тиму, он ожил и пустился в пляс…

«Поминки по Финнегану» окончательно утвердили за Д. Джойсом (в западной критике) репутацию самого дерзкого писателя-экспериментатора. Особенно хвалят язык романа.

Д. Джойс полагал, что язык сновидения должен быть универсальным, поскольку во сне-де человек переступает национальные и языковые границы. Посему писатель собрал все европейские языки и попытался слить их воедино.

Как при строительстве Вавилонской башни, в романе царит смешение всех наречий, есть следы и русского языка — в реке Лиффи полощут белье pratschkats (прачки). Мелькают в тексте и модные слова: тоталитарный, наци, гестапо.

Один комментатор Д. Джойса заметил, что язык романа мог бы пригодиться в ЮНЕСКО в момент какой-нибудь невообразимой суматохи.

Неудивительно, что книга ни разу не была переведена полностью. Более того, даже по-английски роман нельзя читать без специальных «ключей» объемистых книг, в которых текст расшифровывается как криптограмма.

Есть идеалисты, которые читают этот роман вот уже добрые десятки лет в надежде найти его разгадку. В США, где Д. Джойс особенно популярен, выходят огромные статьи, которые порой посвящены истолкованию лишь одного какого-нибудь абзаца романа.

Д. Джойс добился своего — он полностью оборвал связи между писателем и читателем. О романе не стоило бы так подробно говорить, если, на удивление, его дух, весь строй не были бы столь созвучны тому, что ныне происходит в физике микромира.

Вольтеровский Микромегас полагал: чем тело меньше, тем меньше у него свойств. Однако с частицами микромира так не получилось. Атом демонстрирует свою неисчерпаемость: элементарные частицы обладают такими противоречивыми, удивительными, странными, поражающими свойствами, что их впору отождествить с персонажами последнего романа Д. Джойса.

В самом деле, частицы могут отличаться массой, временем жизни, электрическим зарядом, лептонным зарядом, спином, изоспином, пространственной четностью, зарядовой четностью, странностью, спиральностью, способом распада, форм-фактором, магнитным моментом, силой взаимодействия с другими частицами и т. д. и т. п.

А ведь завеса микромира только недавно начала приоткрываться!

Вот эта фантасмагория свойств микромира и роднит его с вселенной, созданной воображением ирландского писателя.

И все же Д. Джойс был бы несказанно удивлен, если бы узнал, что четверть века спустя после его смерти одно из придуманных им словечек кварк — перекочует в словарь физиков и станет наиболее популярным словом в субъядерной физике, знаменем этих исследований.

В изложении для пешеходов

Слово «кварк» ввел в науку американский физик-теоретик М. Гелл-Ман (родился в 1929 году в Австрии, в 1944-м его родители перебрались в США). М. Гелл-Мана, как и других физиков, беспокоила неразбериха и толчея, наблюдавшиеся в мире элементарных частиц.

Вооружившись соображениями симметрии, законами сохранения и новейшей математикой, физики-теоретики принялись раскладывать «пасьянсы» из элементарных частиц, тасуя, перекладывая их и так и этак. Обнаружилось: многие частицы могут быть сгруппированы в семейства, близкие по своим основным свойствам.

Гак, к примеру, если учитывать лишь главные характеристики — спины, барионные заряды, близость массы, внутреннюю четность, — закрывая глаза на некоторые различия, то 8 частиц: протон, нейтрон и гипероны Л°, Z+, Z°, Z-, E°, Е~ могут быть объединены в одно семейство барионов (октет) со спином 1/2 и положительной четностью. Подобные группы частиц получили название супермультиплетов.

Нашлась и довольно абстрактная математика, «узаконившая» подобную классификацию: раздел теории групп, известный под названием группы Ли (С. Ли — норвежский математик, живший в прошлом веке).

Математика допускала существование разных наборов частиц: из одной, трех, шести, восьми, десяти и т. д. Физики же наблюдали лишь синглеты (одна частица), октеты (восьмерки) и дециметы (десятки). Эту прихоть природы надо было объяснить.

И вот в 1963 году одновременно и независимо, находясь даже на разных континентах — один в Америке, другой в Европе, — теоретики американец М. Гелл-Ман и австриец Г. Цвейг, чтобы устранить противоречие, высказали гипотезу о существовании трех фундаментальных субъядерных частиц, различными комбинациями которых и является большинство элементарных частиц.

Только в вопросе, как назвать эти «детальки» микромира, М. Гелл-Ман и Г. Цвейг разошлись. Американец, большой, видимо, почитатель творений Д. Джойса, в поисках подходящего имени для новых частиц, возможно, начал перечитывать роман «Поминки по Финнегану» в наткнулся на то место, где дублинский трактирщик возомнил себя королем Марком, персонажем средневековой легенды.

Королю кажется, что его племянник Тристан украл у него жену, прекрасную Изольду. Марк преследует похитителя на корабле. В небе над парусами кружат чайки (которые, впрочем, может быть, вовсе не чайки, а судьи).

Они зловеще кричат-каркают: «ТРИ КВАРКА ДЛЯ МИСТЕРА МАРКА!»

Короля мучают кошмары, а чайки все повторяют: «ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА…»

Слово «кварк» перекочевало со страниц романа Д. Джойса в мир элементарных частиц легко и естественно. Скорее всего в этом отрывке М. Гелл-Мана привлекало то, что число кварков было именно три. Столько, сколько и требовала теория.

Пришлось по вкусу ученому и само слово «кварк» звучное, диковинное, абсолютно незатасканное в других употреблениях.

Итак, М. Гелл-Ман выбрал слово, и оно пришлось к месту. Г. Цвейг же был менее удачлив. Он назвал гипотетические субчастицы, претендующие на роль истинных кирпичиков праматерии, «тузами». Эта картежная терминология оказалась не столь привлекательна (тузов-то 4!), теперь о ней почти никто не вспоминает.

А кварки прижились. Удивляло и радовало, что всего трех кварков было достаточно, чтобы конструировать из них — словно это детские кубики огромное число открытых к тому времени элементарных частиц.

И вновь раздались победные клики в стане физиков.

Казалось, наступила долгожданная пора, когда можно было «закрыть» большинство элементарных частиц за ненадобностью: ведь они были составными!

В 1965 году в журнале «Успехи физических наук» академик Я. Зельдович пишет статью «Классификация элементарных частиц «в изложении для пешеходов». Уже само название подчеркивало: теперь тонкости микромира можно просто и ясно объяснить любому встречному, даже ребенку.

Академик писал в статье, что, возможно, физики добрались до атомизма нового типа, вскрыли, так сказать, новый пласт материи. Что создано нечто вроде новой таблицы Менделеева, только уже на субъядерном уровне.

Тон статьи был мажорный, радостный. «Современный физик имеет полное право повторить строки Ф. Тютчева», — писал Я. Зельдович, и цитировал их:

Счастлив, кто посетил сей мир

В его минуты роковые:

Его призвали всеблагие,

Как собеседника на пир;

Он их высоких зрелищ зритель,

Он в их совет допущен был

И заживо, как небожитель,

Из чаши их бессмертье пил.

Омега-минус-гиперон

Не следует, однако, думать, что концепция кварков была сразу встречена физической общественностью с распростертыми объятиями. Вовсе нет! Как и все действительно новое и оригинальное, поначалу кварки были встречены в штыки. Научные журналы даже отказывались публиковать эту модель. Работы, где фигурировали тузы и кварки, казались не более чем теоретическим фокусом.

Всего более поражало в кварках то, что они обязаны были обладать… дробным зарядом! Вот этот психологический барьер физикам было труднее всего преодолеть.

Как же так? До этих пор считалось само собой разумеющимся, что заряд электронов (или равные ему с обратным знаком заряды протона или позитрона) — это и есть наименьшая возможная порция электричества, нерушимая, казалось, и неделимая. Но кварки потому и кварки, что для них невозможное стало возможным: одному из кварков совершенно необходимо было приписать заряд плюс ⅔, двум другим кваркам — заряд минус √s.

Первоначально упоминание о дробях как о частях прежде неделимого электрона просто шокировало. Мерещилось нечто вроде полсобаки или собачьего хвоста, лапок, живущих самостоятельной жизнью. Вспоминался и гоголевский Нос, разгуливающий по Невскому проспекту микрофизики.

Понадобилось некоторое время, чтобы ошеломленным физикам кварки стали напоминать уже не тявкающий хвост, а нечто гораздо более тривиальное маленькую (меньше, чем электрон!) собачку, и все. Почему бы ⅓ заряда электрона (на данном этапе развития физики) и не быть самым крохотным зарядом? Почему не предположить, что в электроне как раз и собралась троица таких необычных электрических элементов?

Кстати, заметим, кроме кварков, должны существовать еще и антикварки. Поэтому полный спектр кварковых зарядов есть +⅓ и — ⅓, +⅔ и — ⅔.

Надо понимать еще и то, что кварки меж собой различаются не только зарядами, но и другими свойствами.

Поэтому главной троице кварков, кроме общей «фамилии», следовало — и это было сделано — присвоить и отдельные «имена».

Правда, имена эти пока еще не отстоялись окончательно: называют кварки по-разному: говорят о р-, п-, λ-кварках (от слов «протон», «нейтрон» и «лямбда-частица»). Их обозначают и как u, d и s (первые буквы слов up верхний, down — нижний, strange — странный). Еще — совсем в духе Д. Джойса! — кварки называют парком (р), нарком (n) и ларком (λ).

В этих именах-обозначениях очень красиво выглядят наши старые знакомцы протон (Р) и нейтрон (N) — будем обозначать их большими буквами, чтобы отличать от кварков (строчные буквы). По классификации М. Гелл-Мана и Г. Цвейга:

Р = ppn и N = pnn.

Схема кварков легко и просто объясняет, почему заряд протона единичный и положительный (+1), а у нейтрона заряд нулевой (0). Непосредственная проверка дает для протона (смотри только что приведенные выше равенства):

(+⅔) + (+⅔) + (-⅓) = +1

А для нейтрона имеем:

(+⅔) + (-⅓) + (-⅓) = 0.

Из кварков конструируются и наблюдающиеся в природе — об этом говорилось выше — синглеты, октеты и дециметы элементарных частиц. Так, группа из десяти частиц в кварковом «изображении» будет иметь такой вид:

_____________λλλ_____________.

________рλλ_______nλλ________.

____ррλ_____pnλ_______nnλ____.

ppp____ppn_______pnn______nnn.

Секрет построения этой пирамиды донельзя прост.

Мы последовательно перебираем все возможные комбинации троек, состоящих из элементов р, п и λ. Каждая из троек представляет собой элементарную частицу: в обычном — не кварковом — изображении мы получим такую таблицу:

__________________Q-__________________.

__________Z0*____________Z-*__________.

_____Z+*_________Z0*_________Z-*______.

_Д+*______Д+___________Д0________Д-__.

Это эквивалент первой пирамиды, где знаками плюс, минус и ноль обозначены заряды элементарных частиц, а звездочки говорят о том, что помеченные ими частицы «возбужденные».

Не будем больше анализировать кварковые конструкции. Отметим лишь, что вершину указанных пирамид венчает омега-минус-гиперон и что в момент, когда эта частица «родилась» на бумаге (1963), было известно: λ — резонансы и возбужденные частицы действительно обнаруживаются в экспериментах, а вот λ~ никто не наблюдал. Так что предсказание омега-минус-гиперона стало двойным вызовом: и экспериментаторам — ищите! и теоретикам — если такой частицы нет, плохи ваши дела!

Теоретики сказали свое слово, и им оставалось просто ждать, а вот экспериментаторы немедленно принялись за дело.

И научное чудо свершилось. В 1964 году омега-минус-гиперон была обнаружена.

Теория кварков и М. Гелл-Ман оказались правы: 2~- частица существовала! Успех был полным.

В 1969 году М. Гелл-Ман стал нобелевским лауреатом.

2. Ядерное сафари

Погоня за зверем, на которого ты давно и страстно мечтаешь поохотиться, хороша, когда впереди много времени и каждый вечер после состязания в хитрости и ловкости возвращаешься хоть и ни с чем, но в приятном возбуждении, зная, что это только начало, что удача еще улыбнется тебе и желанная цель будет достигнута.

Эрнест Хемингуэй. Зеленые холмы Африки

Датский физик Н. Бор, создавший первую теорию атома, возглавлявший в первой четверти нашего века титанические усилия ученых по разработке основ квантовой механики, очень любил рассказывать такую историю.

Некий английский лорд как-то расхвастался своими необыкновенными подвигами, якобы совершенными им при охоте на львов. Одна из слушательниц, молодая девушка, не выдержав, спросила его напрямик, сколько же львов он убил.

— Ни одного, — спокойно ответствовал рассказчик.

— Разве это не слишком мало? — ехидно заметила девушка.

И это замечание нисколько не смутило лорда-охотника, он невозмутимо парировал:

— Только когда речь идет не о львах!..

Подобное можно было бы сказать и про результаты научной охоты за кварками: они оказались настоящим львом микромира!

Золотыми буквами

В декабре 1934 года маленькая охотничья экспедиция — американский писатель Э. Хемингуэй, его жена, друзья и следопыты-африканцы — выехала из Момбасы (Восточная Африка, порт в Кении на побережье Индийского океана) и двинулась на северо-запад через плато Серенгеттн, откуда повернула на юг, к озеру Маньяра.

Путешествуя по Африке, Э. Хемингуэй и его спутники охотились на самых разных зверей — львов, леопардов, антилоп, носорогов, газелей.

Позднее в книге «Зеленые холмы Африки» писатель очень ярко и точно описал все подробности этой охоты.

Этой книгой Э. Хемингуэй провел своеобразный писательский эксперимент: он попытался создать «абсолютно правдивую книгу», не используя при этом ни одного вымышленного образа или события. И преуспел в этом.

Жаль, что, когда — в середине 60-х годов — началась (продолжается она и поныне) экспериментальная охота за кварками, в ней не принял участия какой-нибудь писатель ранга Э. Хемингуэя, который поставил бы себе целью выяснить, может ли правдивое изображение научных событий — без прикрас и без разговоров о любви главных героев! — «соперничать с творческим вымыслом».

(Конечно, охота обычная и охота научная не одно и то же. Э. Хемингуэй прекрасно владел ружьем, бил птицу и зверя без промаха, поэтому он мог фиксировать и потом запечатлеть в книге даже самые мельчайшие детали охоты. Представить же писателя, который мог бы стать полноправным участником физических экспериментов, да при этом держал бы в голове все хитросплетения теоретических нитей, да еще бы виртуозно владел словом, представить себе такого писателя трудно.

Но это вовсе не означает, что в будущем не появятся научные Хемингуэи, способные осуществить экспедицию в любой, самый удаленный уголок микромира и убедительно, с полным знанием дела, красочно рассказать об этом, даже если охотиться им придется за «зверьми», не уступающими кваркам по изворотливости и неуловимости.)

…В те жаркие 60-е годы кварками интересовались не только физики геологи, биологи, химики тоже часто произносили это слово. Но, понятно, особенно волновались и суетились, принимая все это слишком близко к сердцу, научные журналисты. Они жадно прислушивались к свежим новостям, вникая, казалось бы, в неуместные подробности, судорожно перелистывали даже сверхспециальные статьи научной периодики в надежде, что наконец-то промелькнет сенсационное сообщение.

Тема кварков властно захватила тогда многих.

А ситуация оставалась противоречивой.

Нетерпеливые и скорые на мысль теоретики уверенно (и с каждым днем все более: их схемы работали все лучше и лучше) говорили «да»: кварки должны, просто обязаны были существовать в природе. Теоретикам возражали экспериментаторы. Более спокойные и не торопящиеся с окончательными выводами, они твердили «нет»: пока в экспериментах обнаружить кварки никак не удавалось.

«Рождение», «выживание» или «гибель» гипотез при их столкновении с данными опыта — дело в науке довольно обычное. И никто не станет пенять теоретику, если его научная версия не оправдалась. Гораздо сложнее положение экспериментатора: ошибаться ему не след, хоть такое и случается порой. С экспериментатора спрос больше, но зато ему больше и веры.

Вообще, заметим, что в неразлучной паре «теория — эксперимент», как бы результативна и плодовита ни была теоретическая мысль, все же считается, что решающее слово остается за экспериментатором — он ближе к природе!

На этот счет у физиков есть такая шутка. Они говорят, что различие между теоретиком и экспериментатором заключается в том, что результату теоретика обычно не верит никто, кроме него самого, а результату экспериментатора обычно доверяют все, кроме самого экспериментатора.

«Нет», — в вопросе о существовании кварков слово экспериментаторов было решающим. Какие тут могут быть разговоры! Для доказательства есть только один путь: кварки необходимо было представить научному миру, так сказать, живьем.

Кварки, какая бы это была ценная добыча! Пойманные кварки очень быстро перекочевали бы со страниц узкоспециализированных научных журналов в монографии. Потом в текст университетских и вузовских лекций. Затем и в школьные учебники. О кварках, об этом фундаменте материи, громогласно возвестило бы радио, их показывали бы (в рисунках, схемах) по телевидению, о них рассказывала бы многочисленная армия лекторов, их бы разобрали по винтикам и вывернули бы наизнанку популяризаторы науки.

А такой чести удостаивается не каждое научное достижение. Открытий в наш век сделано слишком много, о всех не расскажешь. Но кварки! Открытие кварков стало бы подлинным триумфом науки. Оно было бы записано в ней золотыми буквами, попало бы во все учебники и, несомненно, осталось бы в них на ближайшие, скажем, сотни лет.

Опыт Милликена

Итак, очень многие жаждали поймать хотя бы один кварк. И дело это вроде бы не должно было доставить много хлопот: кварки же ведь существа весьма экзотичные, и выделить их будет несложно.

Главное — у кварков дробный электрический заряд (дробным, кстати, является и их барионный заряд; +⅓), что и должно существенно облегчить их наблюдение. Эта дробность не позволяет им исчезнуть: распасться на обычные частицы (электроны, например), обладающие целым или нулевым зарядом. Иначе нарушился бы закон сохранения зарядов — один из краеугольных камней физики. Все эти рассуждения значили одно: кварки должны быть стабильными частицами. Если они существуют, то должны быть везде.

И их, как только была выдвинута кварковая гипотеза, принялись искать повсюду — на поверхности Земли, в океанах, в космических лучах, на ускорителях элементарных частиц.

Но, допустим, кварк у нас в руках: в той горстке материи, что мы держим. Как отличить его от других частиц? Какой для этого использовать метод?

И здесь вспомнили про то, как был измерен заряд электрона. Сделал это в 1911 году американский физик-экспериментатор Р. Милликен (1868–1953).

Р. Милликен был ученым с некоторыми странностями. Он один из немногих, кто упорно пытался примирить религию и науку. В колледже (другой пример эксцентричности) он специализировался по греческому языку и в физику влюбился только в университетские годы. Но уж зато экспериментатором Р. Милликен был первоклассным.

Дж. Томсон, мы помним, открыл электрон, а вот измерил его заряд, да еще с прецизионной точностью, именно Р. Милликен. За это в 1923 году он был удостоен Нобелевской премии. Его опыт был элегантен, красив, точен, наивно прост и стал добротной классикой. Ученый изучал падение заряженных капелек в электрическом поле конденсатора.

Опыты эти были начаты в 1906 году. Вначале бралась крохотная электрически заряженная водяная капелька.

Вниз ее тянуло поле тяжести, вверх — электрическое поле.

Неудача первых опытов состояла в том, что ничтожно малые капли воды быстро испарялись, и уменьшение их веса вносило погрешность в расчеты. Поэтому в 1911 году ученый начал экспериментировать с каплями масла: тут испарение уже не вносило больших осложнений.

Капельки масла (проводились и опыты с ртутными шариками) у Р. Милликена были настолько легкими (они весили 10-11 — 10-12 грамма), что изменение их количества электричества всего лишь на один электрон (тоже лилипут: его заряд 10-19 кулона) уже заметно влияло на скорость их падения.

Заряжение капель производилось их облучением X (икс) — лучами (так вначале называли лучи Рентгена).

При этом менялся электрический «вес» капельки: капли начинали падать быстрее пли медленнее. В определенных условиях их можно было заставить даже подниматься вверх.

Минимальное изменение в движении капли было обусловлено прибавлением пли вычитанием уже далее неделимой порции заряда. Ее (заряд электрона) и вычислил Р. Милликен, окончательно доказав атомарную (корпускулярную) природу электричества.

Эти опыты и вспомнили прежде всего, когда начались энергичные розыски кварков. А обнадеживало тут вот что. Сам Р. Милликен однажды наблюдал капельку с количеством электричества, равным ⅔ заряда электрона!

Этот необычный результат показался ученому подозрительным, он его просто отбросил, посчитав, что в опыт закралась какая-то погрешность. Лишь спустя годы в одной из своих статей Р. Милликен вскользь упомянул об этом наблюдении. Значит, он наблюдал кварки?

Кто знает. Мнения тут разделились. Многие считали, что условия проведения эксперимента не давали ему на это никаких шансов. Кварки звери довольно редкие.

Повстречать их непросто. А капельки у Р. Милликена были очень маленькими: вероятность того, что в капельке спрятан кварк, становилась ничтожной.

Но из последних рассуждений следовал и обнадеживающий для поисков кварков вывод: капли (пли частицы вещества) надо брать покрупнее, и еще желательно было бы их предварительно обогащать кварками. Ну н, естественно, надо использовать аппаратуру в миллионы раз более чувствительную, чем та, что была у Р. Милликена.

Тогда и можно рассчитывать на успех.

Подобно «гробу Магомета»

И физики немедленно впряглись в поиски. Работа велась одновременно во многих странах.

В США (Стэнфордский университет) группа исследователей измеряла заряды маленьких сверхпроводящих шариков диаметром около 0,1 миллиметра, заставляя их осциллировать, совершать колебания, в переменном электрическом поле. Величина осцилляции зависела от электрического заряда шарика. Это была рафинированная версия опыта Р. Милликена.

Американцы сообщили радостную весть. В прибор один за другим помещали 9 маленьких шариков из ниобия, на 3 из них исследователи нашли заряд, равный одной трети. Эти заряды можно было удалить, промывая шарики ацетоном. Заряд исчезал или появлялся и в результате электрического разряда. Похоже, кварки находились на поверхности шариков. Кварки наконец обнаружены?

Вряд ли. Достоверность этих результатов осталась под сомнением. Вполне возможно, что тут играли роль какие-то неучтенные особенности эксперимента. К примеру, шарики ведь должны быть абсолютно круглыми, симметричными не только по форме, но и по своему составу.

Иначе неоднородность сказалась бы на равновесии шарика, а значит, и его заряде. Но в том, что шарики круглы, можно убедиться с помощью микроскопа. Однородность же объемных свойств проверить уже гораздо труднее.

А она приводит к погрешностям в расчетах, что и может выглядеть как дробный заряд.

При суждении об опытах американцев настораживало и то, что попытки повторить их «успех» в аналогичных исследованиях, проводившиеся в других странах, потерпели неудачу.

В СССР поиски кварков схожим с милликеновским способом велись в МГУ под руководством академика Я. Зельдовича и профессора В. Брагинского. Исследовались частицы графита, весящие во многие тысячи раз больше больше вероятность встретить кварк! — чем капельки у Р. Милликена. В такой «махине», как рассчитали теоретики, кварки уже вполне можно было бы встретить (если, конечно, они есть в природе!).

Частица графита в экспериментах висела между полюсами электромагнита, поле которого создавало земную невесомость: неоднородность поля (его градиент) компенсировала силу земного притяжения. И графитовые крупинки оказывались подвешенными между пластинками конденсатора подобно левитирующему йогу, висящему в воздухе безо всяких опор.

Теперь на парящую в воздухе частицу направляли поток рентгеновских лучей, чтобы ее зарядить. Потом включали еще и электрическое поле.

Заряженная частица в электрическом поле должна немного сместиться. Это смещение и интересовало экспериментаторов. А гораздо больше их заботило, будет ли смещение соответствовать заряду ⅓ или заряду еще какого-нибудь числа с тройкой в знаменателе.

Дальше события развивались, как в добротной мелодраме. Недолгое счастье сменилось унынием. Вначале в серии из 17 измерений трижды наблюдались кваркоподобные смещения графитового тельца. То же повторилось и в видоизмененной серии опытов. И все же кварки тогда найдены не были.

Частица графита, висящая в магнитном поле, подобно легендарному гробу Магомета, обладала дипольным электрическим моментом. Его взаимодействие с неоднородным электрическим полем, смещающим частицу, и явилось причиной этого научного недоразумения. Когда экспериментаторы нашли наконец способ сделать электрическое поле совершенно однородным, коварный дипольный момент перестал влиять на результаты опытов.

Но при этом исчезли и кварки, точнее, те смещения, которые до этого свидетельствовали, казалось, об их присутствии. И исчезли уже навсегда.

Открытие и закрытие. Иногда их делают разные исследователи: одни открывают, другие закрывают.

Чаще же «закрывание» осуществляют сами «открыватели». Так было и в случае, о котором мы только что рассказали.

Хотя и бывают порой «закрытия» ценные, «закрытия», восстанавливающие истину, спасающие науку от заблуждений, ложных дальнейших шагов, — цена их явно неравнозначна открытию. «Золото» найденного сверкает и слепит, веселя сердце первооткрывателей, помогая им быстро забыть всю тяжесть усилий, потраченных для достижения победного результата.

Иное при «закрытии». Здесь трудности часто те же — отрицательность результата не уменьшает их ни на йоту.

Ученые тратили последние силы, рискуя здоровьем, а то и самой жизнью (и такое бывает!). А что могут получить взамен? Разочарование, иронические замечания коллег, потерю веры в собственные силы, апатию. Не только победных возгласов не услышат, но даже просто опубликовать отрицательный результат не всегда смогут. В лучшем случае где-нибудь, как бы ненароком, в сносках, в примечаниях удастся упомянуть про кусок научной жизни, отданный такой неблагодарной работе.

Следы невиданных зверей

Когда высоко в небе пролетает реактивный самолет, он оставляет за собой постепенно расплывающийся след — облачко кристалликов льда. Сам самолет часто невидим, и его присутствие выдает лишь оставленный им белый пушистый хвост. Глядя на этот след, мы можем думать о чем угодно, но только не об элементарных частицах.

А напрасно! Многие сведения о микромире ученые получили, как раз разглядывая следы, подобные следу самолета в небе. Оказывается, точно таким же способом и микрочастица может тропить свой путь.

Но следы, невольно выдавая охотнику свое присутствие, оставляет и зверь в лесу. Так вновь пересекаются охота лесная и охота ядерная. По этому поводу можно было бы даже сочинить небольшое эссе. В нем нашлось бы место и для особых заповедей, отличающих охоту ученую от охоты обычной. Тут пришлось бы перечислить пункты вроде таких:

1. В охоте научной поймал тот, кто поймал первым.

Второй, третий и последующие «удачливые» охотники в зачет уже не идут.

2. Совершенно неважно, сколько ты поймал. Даже единственного экземпляра «зверя» будет вполне достаточно.

3. Вовсе не обязательно ловить самого «зверя»: достаточно его каким-то образом обнаружить — увидеть и сфотографировать (чтоб не сомневались остальные охотники!) или, скажем, найти его след…

Умению детектировать следы невидимых частиц, сделать их заметными для глаза или регистрирующего их аппарата мы обязаны английскому физику, выходцу из Шотландии Ч. Вильсону (1869–1959).

Ученый начинал свою научную карьеру как метеоролог. Его интересовало, как зарождаются в атмосфере облака. Но эти поиски неожиданно завели его совсем в другую область науки.

Ч. Вильсон часто любовался облаками, обволакивающими вершину Бен Невиса — высочайшего горного пика не только Шотландии, но и всей Англии. И уже в лаборатории (Ч. Вильсон был сотрудником Дж. Томсона в Кембридже) пытался в меньшем масштабе воспроизвести это красивое и загадочное тогда явление.

Он поступал так: насыщал водяным паром воздух в небольшой камере, затем быстро выдвигал стенку-поршень камеры, смесь воздуха и водяного пара расширялась, температура ее падала. Воздух в камере переохлаждался, и в ней в любой момент могло начаться выделение капелек влаги. Так можно было имитировать образование облаков.

Однако лабораторные облака, как и естественные, образуются не всегда. Хотя пересыщенный пар находится в крайне неустойчивом состоянии (ученые называют это состояние метастабильным), для образования капелек необходима «затравка», какие-нибудь микрозародыши. Ими могут быть, к примеру, всегда присутствующие в городском воздухе частицы индустриальной пыли. (След самолета в небе — это и есть капельки влаги, которые сконденсировались на частичках недогоревшего топлива, выбрасываемых мотором самолета, и быстро замерзли.)

Ч. Вильсон продолжал экспериментировать, и однажды его осенила счастливая мысль, что зародышами каплеобразования могут стать и ионы воздуха. И доказал это.

Когда заряженная элементарная частица проходит сквозь вещество, она своим электрическим полем срывает часть электронов с оболочек встречных атомов — ионизирует их. Вдоль пути пролетающей частицы выстраивается цепочка ионов. Если частица при этом движется в переувлажненной среде, то на ионах будут возникать капельки влаги. Они начнут быстро расти и достигнут видимых размеров.

В 1912 году Ч. Вильсон сконструировал камеру (она теперь носит его имя), которая сыграла важную роль в изучении нравов микромира. Несколько десятилетий это был практически единственный способ, позволяющий визуально регистрировать ядерные процессы. (В 1927 году Ч. Вильсон получил за это изобретение Нобелевскую премию.)

И все же это дерзость — по следам воссоздавать образ элементарной частицы. Грубо говоря, это похоже на попытку определить по следу только что пролетевшего реактивного самолета его конструкцию. Дерзость? Тем не менее физики давно научились довольно хорошо разбираться в ядерных следах.

След следу ведь рознь. Движущийся электрон оставляет тонкий волнистый след: он легко искривляется, если вблизи траектории оказываются другие электроны. Массивная альфа-частица, наоборот, оставляет прямой и толстый след: это как бы носорог микромира, мчащийся сквозь заросли напролом. Но если на ее пути встретится тоже массивное атомное ядро, альфа-частица изменяет свой путь: в камере Вильсона будет виден резкий излом следа (следы физики называют треками).

Чтобы теперь узнать подробности о заряде ядерной частицы, камеру Вильсона обычно помещают в магнитное поле. Оно искривляет ее путь, превращая его в дугу. Радиус изгиба траектории зависит от величины электрического заряда частицы: чем заряд больше, тем меньше радиус. Направление изгиба (направо или налево) говорит о том, какой у частицы знак заряда — положительный или отрицательный.

Эти знания могут пригодиться и при ловле кварков.

Ведь у них аномально малый заряд: и это хорошая зацепка для ученых-следопытов. Толщина следа, который оставляет частица в камере Вильсона, пропорциональна квадрату ее заряда. Поэтому частица с зарядом 7з — кварк — оставит в 9 раз более тонкий след, чем электрон. Вот по таким «рыхлым», разреженным следам и можно надеяться отыскать кварки среди других жителей микромира.

С мышеловкой на слона

Источником кварков (в опытах по их определению) могут стать космические лучи. Однако метод этот не очень надежен.

Физик-экспериментатор, имеющий дело с не подчиняющимися его воле хаотическими потоками космических лучей, похож на авиаконструктора, который вдруг вздумал для испытания крыла самолета выбрать чистое поле, где, как он надеется, возникнет ветер нужной ему силы и направления. И подобно тому, как авиаконструкторы вынуждены были призвать на помощь аэродинамическую трубу, где режим испытаний строго контролируется, так и физики в конце концов обратились к подчиняющимся их требованиям пучкам частиц, разогнанных в ускорителях. И если к помощи космических лучей прибегают и по сей день, то причина понятна: в космических лучах — а вдруг повезет! — можно встретить частицы с энергиями, которые пока на несколько порядков больше тех, что дают самые крупные из ускорителей.

Погоня за кварками в космических лучах, преследование их в ускорителях — как все это вновь наводит на мысли об охоте обычной. Параллели напрашиваются сами собой.

Охота на лесного зверя официально подразделяется на охоту ружейную и охоту самоловную. И у ученых го же. Пальба в ускорителях — ну чем не ружейная охрга? А ученые, выслеживающие кварки в космических лучах, конечно же, занимаются охотой самоловной: прилетевший из космических глубин кварк попадает в приготовленные для него учеными капканы.

Простейший физический «капкан» — фотопластинка.

Она очень похожа на ту, что применяется в обычных фотоателье, только фотослой здесь особый. Он готовится по специальному рецепту, ибо должен быть крайне высокочувствительным, чтобы реагировать даже на очень слабые ионизирующие повреждения.

К разряду ядерных капканов можно отнести и различные счетчики элементарных частиц. Старейший и, видимо, простейший из них — счетчик Гейгера.

Это газоразрядная трубка, в которой создано сильно неоднородное электрическое поле. При попадании в рабочий объем счетчика ионизирующей частицы образуется электронная лавина: через счетчик течет ток. Это и позволяет вести учет частиц.

Подобное устройство было изобретено Э. Резерфордом и немецким физиком X. Гейгером в 1908 году. Тогда этот прибор был незаменим при исследовании радиоактивности. По импульсам тока можно было подсчитать, что, например, грамм радия в секунду испускает 37 миллионов альфа-частиц.

Физические приборы, использующиеся сейчас для ловли микрочастиц, довольно многочисленны — всех не перечтешь. Добавим сюда еще только уже знакомую нам камеру Вильсона для того лишь, чтобы обратить внимание на ее явные недостатки.

Для ловли кварков камера Вильсона так же мало подходит, как рогатина или духовое ружье плохо вяжутся с современной охотой, где в ход пошли даже вертолеты!

Счетчик Гейгера вышел из моды (правда, его еще используют, например, в биологии, где требования не столь высоки, как при ловле микрочастиц), потому что уж очень он «неповоротлив»: регистрация сверхбыстрых сигналов ему явно не под силу.

А «неповоротливость» камеры Вильсона проявляется в другом. Что можно довольно просто объяснить.

Камеру наполняет газ (пары). Он очень разрежен в сравнении с жидкостями. Поэтому и следы получаются жидковаты, чересчур тонкими. А кварки (пора вспомнить о них) и сами не очень-то следоспособны. Так что ловить кварки в камере Вильсона — это то же, что при охоте на слонов пользоваться… мышеловками.

Для ловли кварков и других необычных частиц требуются средства более надежные. И физика дала их.

Приборы отбились от рук

В 20-е и 30-е годы камера Вильсона все еще была чудом науки. Но требования к измерениям возрастали. Ученые имели дело со все более быстрыми и, главное, короткоживущими частицами. И хотя целое поколение физиков билось над усовершенствованием детища Вильсона, преуспели тут мало.

Революцию в этом деле совершила изобретенная в 1952 году пузырьковая камера. Она справедливо стала сенсацией 60-х годов. С ее помощью был открыт и знаменитый омега-минус-гиперон, упрочивший славу М. Гелл-Мана и торжество кварковой гипотезы.

В двух словах пузырьковую камеру можно представить как камеру Вильсона «наоборот». Вместо капелек жидкости в пересыщенном паре теперь исследователи имеют дело с пузырьками пара в перегретой жидкости.

Жидкость мгновенно вскипает вдоль трека ионизирующей частицы и отмечает его гирляндой мелких пузырьков газа.

Когда пузырьки в камере достигают значительных размеров, камера освещается и следы (они имеют микронные толщины) фотографируются (стереофотосъемка с помощью 2–4 объективов). После фотографирования давление в камере поднимается до прежней величины, пузырьки при этом исчезают, и камера вновь оказывается готовой к действию. Весь цикл работы пузырьковой камеры составляет величину порядка 1 секунды.

Эволюция пузырьковой камеры — от рождения до наших дней — весьма примечательна и характерна. Методические усовершенствования шли гигантскими темпами: началось все с «сургуча и бечевки» (обычное выражение физиков, когда они хотят подчеркнуть, что в прошлом выводили законы с помощью самых простых средств), а закончилось дело тоннами и тоннами материала.

Примером современной установки может служить созданная во Франции для совместной работы с советскими физиками водородная камера «Мирабель», установленная на ускорителе Института высоких энергий АН СССР под Серпуховом. Ее объем 10 кубических метров, общий вес движущихся частей достигает 2 тонн, а стоит она миллионы. Создание подобных устройств — уже дело государственного и даже межгосударственного масштаба.

К чему такие гиганты? Они себя оправдывают, это легко доказать. Заполняющий камеру «Мирабели» жидкий водород представляет собой хорошую (простую и однородную) мишень для частиц, врывающихся в камеру из космоса или из «жерла» ускорителя. Тут пузырьковая камера решительно одерживает верх над ядерными фотоэмульсиями — этим винегретом из водорода, углерода, азота, кислорода, брома и серебра. (Работающие с ядерными эмульсиями физики всегда спорят о том, в какое именно ядро попала частица с высокой энергией.)

Достоинство большого объема камеры в том, что теперь можно следить за ядерными событиями — за последовательными этапами распада частиц — на протяжении многих метров, а также регистрировать очень редкие процессы (рождение кварков?), представляющие для науки огромный интерес.

Но гигантизм выставляет и свою оборотную, негативную сторону: обработать информацию, даваемую пузырьковой камерой, нелегко.

Дело прежде шло так. Сначала лаборанты просматривали все полученные фотографии и отбирали те из них, где достаточно много «вилок». Отобранные снимки поступали затем на измерительные микроскопы. Все увиденное приборами автоматически засылалось в память ЭВМ.

Но на изучение каждой фотографии даже современная электронно-вычислительная машина тратит немало времени. Вот и получается, что с помощью даже пузырьковых камер практически невозможно исследовать очень редкие события, которые случаются, скажем, раз за сто тысяч взаимодействий, вылетающих, к примеру, из ускорителя частиц с веществом камеры. И сейчас физики хотят совсем исключить человека из системы обработки поступающей из камеры информации. Автоматизировать все.

Да, созданные человеком приборы сами стали проблемой. И изумленный их быстрым ростом изобретатель пузырьковой камеры американский физик Д. Глейзер мог с полным основанием сказать: «Приборы стали очень большими, они отбились от рук…» Добавим еще, что, получив за свое изобретение Нобелевскую премию по физике в 1960 году, Д. Глейзер тут же в интервью журналистам заявил, что его научные интересы изменились: он покидает ядерную физику и отныне займется молекулярной биологией.

Поиск ведут кварколовы

Вооруженные современными приборами (а мы рассказали только о некоторых из них, стоило бы еще поговорить о сцинтилляционных и черепковских названы в честь советского физика, лауреата Нобелевской премии академика П. Черепкова — счетчиках, об искровой камере и других чудесах экспериментальной техники), физики продолжали поиски кварков.

Если протон действительно состоит из трех кварков, надо его расколоть, как орех, и сделать это можно при ускорении частиц на мощных ускорителях. Свыше 50 таких тщательных и остроумных экспериментов было поставлено. Но, увы, результат оказался нулевым.

Конечно, можно предполагать, что энергии ускорителей недостаточно. «Скорлупа», дескать, протона или нейтрона так толста, что разбить ее пока не удается. Что же, тогда стоило бы поискать кварки в космических лучах, где энергия частиц может быть практически любой.

Искали и в космических лучах, и поиски эти были отмечены драматическими моментами. Отдельные группы ученых уже считали, что ими пойманы частицы с дробными зарядами.

Счетчики американцев — группа Адейра — полгода (!) свидетельствовали о попадании в них кварков. А потом? Перестали свидетельствовать, и ведут себя так же и до сего дня.

К ловле кварков подключились и астрономы.

Есть звезды, излучающие частицы очень высокой энергии. Эти последние могли бы способствовать образованию заметного количества кварков. Надежда была на то, что при этом возникнут (правда, в небольших количествах) «кварко-атомы»: в них вокруг протона вращался бы уже не электрон, а отрицательно заряженный кварк.

Такие атомы должны излучать спектр, похожий на спектр водорода, но самая интенсивная линия этого спектра будет уже ультрафиолетовой (длина волны около 2750 ангстрем).

Астрономы надеялись, что так же, как столетие назад они обнаружили «солнечный газ» — гелий — сначала на небе (лишь потом гелий был открыт на Земле), так и кварки тоже окажутся «небесными пришельцами».

Астрономы надеялись, но сейчас, видимо, надежду потеряли.

И наше родное Солнце обмануло ожидания астрономов. В его спектре были обнаружены линии, которые хотелось бы приписать присутствию кварков, однако вскоре нашлось и другое, более простое и правдоподобное объяснение.

Ученые искали кварки и в ближнем космосе (изучались образцы лунных минералов, метеориты, исследованиями занимались космонавты на орбитальных станциях), и в совсем дальнем.

Думалось так: раз наша Земля, и Солнце, и Млечный Путь, все это результат сложной эволюции Вселенной, то, возможно, когда-то не было и протонов с нейтронами, а были только кварки. А уже потом из них образовалась материя, что окружает нас, но часть кварков — «реликтовые кварки» — не смогла воссоединиться в троицы.

Вот ловлей этих чудищ, сохранившихся в первозданном виде (они не смогли «выгореть» и превратиться в нормальные частицы), и занимались ученые.

К реликтовым кваркам следует добавить и те, которые могут образоваться, когда потоки космических лучей встречаются с веществом нашей планеты. Как ни малы тут шансы, все-таки Земля уже миллиарды лет подвергается воздействию космических лучей, если кварки существуют, они — как создания стабильные: распасться им уже не на что! — должны накапливаться в окружающем нас веществе.

Где искать кварки? В земной тверди, в воде океанов, в атмосфере?

Если доля кварков в веществе очень мала, их надо предварительно концентрировать. И были предложены разные проекты по обогащению океанической и иной кварковой «руды».

Химики и геохимики тоже включились в кварковые поиски. Надежда была на то, что кварки в принципе могут очень охотно соединяться с определенными химическими элементами. Не будут ли тогда залежи, в которых эти элементы встречаются особенно часто, и залежами кварков?

Исследовались и образцы осадочных отложений, взятых со дна океана: считалось, что массивные кварки должны скопиться там. Изучались даже раковины устриц, но и это не принесло желанного результата.

К стану кварколовов примкнули и биологи. Известно, что некоторые растения могут накапливать в своих тканях и клетках редкие элементы, рассеянные в окружающей среде в мизерных количествах (этой способностью отличаются, кстати, и многие представители фауны).

В северной Финляндии, например, есть лишайники, накапливающие стронций-90 (этот радиоактивный изотоп образуется при делении урана). Быть может, стоит поискать и растения — накопители кварков?

Предложений было немало. Попыток их реализации (конечно, наиболее активными были физики) также оказалось предостаточно. Но после завершения каждой такой акции неизменно звучал неприятный рефрен — «нет».

Это суровое слово, конечно, не перечеркнуло кварковой гипотезы, но и не способствовало укреплению ее позиций.

Правда, один положительный итог поиски кварков дали. Было совершенно точно установлено, что если свободные кварки и существуют, то концентрация их в веществе ничтожно мала: не превышает 10-18-10-20 доли от общего числа протонов и нейтронов (по некоторым данным кварков еще меньше: 10-24-10-30!).

Космические разбойники

Тщательные поиски кварков ведутся вот уже два десятилетия. Большой для современной физики срок! Однако до сих пор никто уверенно ни одного кварка так и не «увидел».

Забавно, что пока физики-охотники «обшаривали окрестности», шла оживленная дискуссия о том, что означает само слово «кварк».

Вдруг обнаружилось, что его использовал И. Гёте.

В прологе к первой части «Фауста» Мефистофель говорит, что «бог сует свой нос во всякую дрянь». Звучит это по-немецки так: In jedem Quark begrabt er seine Nase.

Кроме того, оказывается, «кварк» также и творог.

В витринах молочных магазинов в странах, говорящих по-немецки, часто можно увидеть объявление: «Покупаем творог!» (Wir brauchen Quark!)

Не дремали и писатели. Фантасты, должно быть, завидуя славе Г. Уэллса, «открывшего» атомную бомбу за тридцать с лишним лет до Хиросимы, наперебой писали о кварковых бомбах.

Лингвистические и литературные дела шли успешно, а вот поиски физиков результатов не давали, что очень разочаровывало. В чем дело? Как объяснить неудачи?

Может быть, кварки живут столь мало, что никакие современные приборы не в состоянии их обнаружить?

Но, казалось бы, их даже сверхмимолетное присутствие должно было бы оставить какие-то следы: ядерные (уже долго живущие) продукты, разные излучения… Тогда, выходит, кварки вообще не существуют?

«Нет, — полагают сторонники существования кварков, — неоткрытие этих частиц — явление временное».

И в подтверждение этого своего мнения приводят различные исторические аналогии.

Ведь злословили же когда-то о кинетической теории газов, что молекулы-де только фикция и просто все происходит так, как если бы они существовали, но что в действительности-то их нет. Что это-де только понятия, которыми удобно пользоваться в химии и термодинамике.

Только много позднее эти «понятия» превратились в реальные молекулы и атомы.

И законы Г. Менделя были высказаны задолго до того, как гены были обнаружены и исследованы непосредственно.

О Г. Менделе (1822–1884) стоит поговорить немного подробнее.

Сын бедного австрийского священника, он был вынужден вступить послушником в августинский монастырь города Брюнна (ныне Брно, Чехословакия), был посвящен в священники, но никаких церковных обязанностей не исполнял, а занимался преподаванием наук и опытами по скрещиванию растений.

Г. Менделя интересовали две далекие друг от друга области — математика и ботаника. Ему нравилось возиться с растениями в монастырском саду, ибо с детства приобрел практические навыки в садоводстве.

Восемь лет неторопливо и тщательно этот странный монах скрещивал различные сорта гороха и терпеливо фиксировал результаты, подвергая их математической обработке. В 1865 году итоги работы были доложены в Брюннском обществе естествоиспытателей и опубликованы в «Записках» того же общества (1866).

Все это не вызвало никакого отклика в научном мире.

Не было ни дискуссий, ни просто вопросов к творцу новой науки. Чувствуя всю шаткость своего положения никому не известного любителя, Г. Мендель решил обратиться к светилам тогдашней ботаники. Его выбор пал на К. Негели. Однако тот лишь бегло проглядел работу, видимо, его, натуралиста старой закалки, оттолкнули математические выкладки. Ответ К. Негели был сухим и кратким.

При жизни Г. Менделя его выдающиеся, теперь классические, исследования не были по достоинству оценены, хотя не только К. Негели, но и другие крупные биологи знали о них. Ученый скончался, не подозревая о произведенном им революционном перевороте в научных взглядах. Лишь в 1900 году непонятная и забытая работа Г. Менделя привлекла всеобщее внимание. Сразу несколько исследователей — X. Де Фриз, К. Корренс и Э. Чермак — на собственных опытах убедились в справедливости выводов Г. Менделя. Но и тогда до экспериментального обнаружения генов — этих материальных носителей наследственности — все еще было очень далеко.

Сторонники существования кварков вспоминают и более близкие события. Скажем, такая частица, как нейтрино, возникла в физике так же, как и кварки, отнюдь не в результате ее экспериментального обнаружения.

Нейтрино «изобрел» швейцарский физик-теоретик В. Паули. Он сам не очень-то верил в свое открытие.

В письме участникам семинара в Тюбингене (1930 год) В. Паули сообщал о своей «отчаянной попытке» «спасти» закон сохранения энергии.

К новой частице физиков привели опыты с р-распадом.

Так называется самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием электрона. Количественные измерения показывали, что испускаемые ядрами электроны имели энергию самую разную, хотя вроде бы в этом процессе должно выделяться вполне определенное количество энергии. Похоже было на то, что энергия куда-то исчезала.

Интерпретируя эти эксперименты, многие физики (среди них были и видные ученые, например, Н. Бор) заговорили о возможном невыполнении закона сохранения энергии, до тех пор одного из основополагающих законов мироздания.

Стали говорить о том, что-де энергия сохраняется только в среднем, а не в каждом элементарном акте.

Но вот странность! Если энергия при β-распаде не сохраняется, то резонно было бы ожидать, что иногда энергии электронам будет не хватать, а иногда у них появится лишняя энергия. Так нет же! Выигрыша энергии у электрона никогда не наблюдалось. И В. Паули допустил, что вместе с электроном из ядра вылетает еще одна частица. Именно она, оставаясь незамеченной, уносит недостающую часть энергии.

Казалось бы, вопрос исчерпан. Эта гипотеза должна была бы сразу же прийтись по душе всем физикам, однако даже сам автор этого предложения говорил о безумии своей идеи, о том, что он предложил «что-то ужасное… нечто, что никогда нельзя будет проверить экспериментально». И верно, основания для подобных сомнений были, ведь масса и электрический заряд новой частицы обязаны были считаться ничтожно малыми, а то и вовсе равными нолю. Это свойство и дало повод итальянскому физику Э. Ферми окрестить частицу «нейтрино», буквально по-итальянски «нейтрончик», уменьшительное от уже известного тогда науке нейтрона.

Экстравагантность свойств нейтрино приводит к тому, что его взаимодействие с веществом пренебрежимо мало (на заряды оно не реагирует, а из-за ничтожности массы ему удается избежать и тенет сил тяготения). Поэтому зарегистрировать нейтрино чрезвычайно трудно.

И это при условии, что мы буквально купаемся в нейтринном море. Один только поток приходящих на Землю солнечных нейтрино необычайно велик около 10^14 частиц в секунду в расчете на каждого из нас; а есть еще нейтрино космического и земного (радиоактивность) происхождения.

Два десятилетия выдуманное теоретиком нейтрино героически боролось за свое реальное воплощение. И победило! В. Паули полагал, что при его жизни нейтрино не будет обнаружено, однако в 1955 году (за три года до смерти В. Паули) наблюдения нейтрино на ядерном реакторе — интенсивном источнике этих частиц — заставило большинство физиков поверить в эту частицу. А полное признание пришло только в 1959 году.

Сейчас позиции нейтрино в физике настолько прочны, что даже поэты начали слагать о нем стихи. Вот образчик нейтринной поэзии (отрывок из стихотворения Д. Апдайка «Космические разбойники»); неуловимость этих частиц, их способность к всепрониканию прежде всего, как видим, будоражит поэтическое воображение:

…Заряда не нужно,

не нужно вам массы,

Сквозь нашу планету

идете бесстрастно.

Что газ вам тончайший,

что толстые стены

Летите беспечно

в просторах Вселенной.

Как света фотоны

проходят сквозь стекла,

Так вы — через сталь,

через медь, через…

Для адвокатов кварковой гипотезы история научного становления нейтрино приходится как нельзя более кстати. «Нет, — настаивают они, — кварки не выловлены только потому, что сети у экспериментаторов, видно, с дырками. Или заброшены не там, где надо. А то и просто им не везет…»

Не везет? Значит, не все еще потеряно; счастье обязательно улыбнется физикам, так рассуждают оптимисты.

Но им возражают скептики, они твердят свое: дело не в счастье; если в пруду нет рыбы, то никакие, даже самые совершенные удочки и крючки не спасут: улова не будет.

Может, к их словам стоит прислушаться?

Приметы придуманы сыщиком

Неудачи с кварками охладили многих исследователей.

Раздались голоса, что кварки — всего лишь удобная абстракция, что, возможно, в 2000 году на вопрос, что такое кварк, физик лишь недоуменно пожмет плечами, так как теория кварков к тому времени уже будет полностью забыта. «Если из собаки «исходят» звуки лая, то это вовсе не означает, что она состоит из них, — рассуждают некоторые физики. — Так и «слышимый» в экспериментах лай кварков не стоит, право, принимать слишком всерьез!»

Чтобы подкрепить эту свою точку зрения, скептики также увлеклись историческими изысканиями. Они стали вспоминать случаи, когда предсказания теоретиков не только не были подтверждены экспериментами, но позднее на поверку оказались вздорными и были справедливо преданы забвению.

«Не каждая из выдумок теоретиков должна обязательно материализоваться: полагать так было бы слишком наивно. Вспомните, — настаивают они, историю теплорода (жидкости, якобы переносящей тепло от тела к телу) и флогистона — этого гипотетического начала горючести. С их помощью в XVIII веке прекрасно объясняли очень многие явления — от горения тел до их нагревания и охлаждения».

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.

Генри Дэвид Торо. Уолден, или Жизнь в лесу.

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.

Итак, миром правят четыре силы. Но насколько различными они кажутся внешне! Взять хотя бы их величину.

Примем самые мощные из четверки сил — сильные взаимодействия — за мерило, за единицу. Ею будет величина сил, притягивающих друг к другу два протона-соседа Тогда электромагнитные силы, отталкивающие те же протоны (одноименные заряды отталкиваются), будут примерно в сто (10-2) раз слабее.

Еще меньше — в 10-5 раз — слабые взаимодействия (слабые силы). И уж совсем ничтожны силы тяготения: они слабее сильных в 10-39 раз.

Как это представить? Если бы электроны были привязаны к атомному ядру не электричеством, а гравитацией, то атом водорода — самый маленький из атомов — был бы больше всей нашей (видимой человеку) Вселенной!

Всего четыре основных взаимодействия наблюдается н природе — как это все напоминает взгляды древних.

Горячее и холодное, сухое и влажное. Эти две пары противоположных характеристик неизменно приписывались тем основополагающим элементам, из которых, как полагали в античном мире и в средневековье, состоит весь окружающий мир — горячий, сухой огонь; горячий, влажный воздух; холодная, влажная вода; холодная, сухая земля.

Но гораздо удивительнее, пожалуй, другое совпадение. Согласно древнеиндийским Ведам четыре первоэлемента — воздух, огонь, вода, земля обязаны своим происхождением так называемому «акаша», имеющему, видимо, смысл первородного «пространства» или, что понятнее физикам, чего-то напоминающего мировой эфир.

Так рассуждали многие тысячелетия назад древние мудрецы. И удивительно схожим образом рассуждают современные ученые. По новейшим воззрениям физиков, об этом сейчас будет речь, четыре главные силы природы, как четыре основные нити в прекрасном, созданном руками искусного художника гобелене, всего лишь различные проявления одной основополагающей силы природы, одного основного начала.

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 искали «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 физик 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?

Итак, мы насчитали лишь четыре типа устойчивых частиц. Все другие элементарные частицы умирают, не успев как следует родиться, ибо время их жизни ничтожно.

Основательность, незыблемость картины мира — где вы? Страшно вообразить Вселенную, которая в основном оказалась сработанной из быстроразваливающихся частиц. Сплошной поток гримас, хор судорог, сливающийся в одно дрожанье хаоса.

Немыслимыми путями этот поток беспорядка организует нам все окружающее. Поддерживает термоядерные реакции, без которых погасли бы Солнце и звезды, творит земную твердь, разумных и неразумных тварей на ней, растения.

Прежде этот «фокус» природы можно было объяснить, указав, что основа всего — атом водорода, точнее, входящие в него протон и электрон — вечны. Теперь же бессмертие протона повисло на волоске, оказалось под подозрением.

Сколько тебе жить, протон?

Мы сидим на крохотном островке стабильности и с душевным трепетом взираем на физиков, которые вот-вот готовы и протон объявить частицей неустойчивой.

Стабильность электрона легко объяснить. Он имеет минимально возможный заряд (если не принимать в расчет кварки, эти получастицы, полуфантомы!). Все частицы меньшей массы (обычно при ядерных развалах тяжелое распадается на более легкие части), те, на которые электрон мог бы распасться (фотон, нейтрино), — нейтральны. Получается, что электрону просто не на что «распасться». Тут вступает в действие закон сохранения электрического заряда: заряд не может исчезать или возникать.

С протоном дело сложнее.

Он мог бы передать свой единичный положительный заряд, скажем, более легкому позитрону, тоже положительно заряженному.

Прежде эту возможность теоретики игнорировали, так как адроны (протон среди них) и лептоны (электрон, позитрон) были разделены, казалось бы, непроницаемой стеной. Однако в рамках «великого объединения» различие между этими частицами исчезает. Здесь кварки, которые раньше можно было отличить по их способности к сильным взаимодействиям, могли бы запросто превращаться в лептоны, прежде считавшиеся частицами совсем другой природы, участвующие только в электрослабых взаимодействиях. Как следствие этого, состоящий из трех кварков протон теперь мог бы превратиться в лептон и мезон. Например, по такой схеме: р- + е+ + π° (протон распадается на позитрон и нейтральный пи-мезон).

Теперь вопрос — как быстро должно идти это превращение? Скорее всего со скоростями черепашьими. Ведь масса данных, начиная с солидного возраста земного шара, говорит о том, что окружающее нас вещество вроде бы вовсе не исчезает.

Слоны и вороны, говорят, живут сотни лет, американские секвойи тысячи. А сколько лет способен прожить протон? Если срок его жизни окажется очень большим, то с чем его сравнивать? Может быть, со временем жизни нашей Вселенной? (Да она тоже невечна, и в принципе имело бы смысл отмечать дни, нет, миллиардолетия со дня ее рождения!)

Возраст Вселенной установлен довольно точно — 10^10, или, в обычной записи, 10 миллиардов лет. Число катастрофически громадное; и все-таки протон должен жить дольше, что нетрудно доказать.

Мы, как выразился один физик, «знаем своими костями», что среднее время жизни протона больше, чем, ну скажем, 10^16 лет. В самом деле, если бы оно было заметно меньше, то 10^28 протонов, образующих тело взрослого человека, распадались бы со средней скоростью, превышающей 10^12 протонов в год, или около 30 тысяч распадов за секунду.

Человек стал бы радиоактивным! И сам представлял бы угрозу для своего здоровья.

Различные теоретические соображения и эксперименты (о них еще пойдет речь) свидетельствуют: время жизни протона больше 10^30 лет. Умопомрачительная величина! Откуда она взялась? Физики в состоянии дать отчет.

Протон, считается, состоит из трех кварков. В среднем они находятся друг от друга на значительной дистанции, расстояниях порядка радиуса протона. Эти размеры крошечны для нас, людей, но грандиозны, чтобы на них могли проявить себя «сильно-электромагнито-слабые» («великое объединение» сил) взаимодействия.

Протон, возможно, способен превратиться в позитрон, но только при том условии, что один из его кварков станет лептоном. И вот для этого-то кварки и должны сблизиться на расстояния в миллиарды миллиардов раз меньшие, чем размер протона.

Понятно, что вероятность такого сближения крайне мала, а значит, шанс за то, что протон не развалится у нас на глазах, должен быть велик. Так и возникают числа большие, чем 10^30.

И еще одно замечание-разъяснение. Не надо думать, что если время жизни протона или электрона (пока электрон считается вечным) превышает возраст Вселенной (на 20 порядков!), то эти частицы существовали и тогда, когда Вселенной еще не было и в помине. Нет, протоны и электроны появились вместе со Вселенной. И число 10^30 означает лишь ту «веху» жизни Вселенной, когда большинство протонов мира развалится.

Как иголку в стоге сена

Изучение элементарных частиц часто принимает форму диалога между теорией и экспериментом. Теоретики предсказывают существование новых частиц и явлений и передают слово экспериментаторам. Те конструируют и изготовляют тончайшие приборы и приступают к опытам.

В результате получают то, или не совсем то, или уж совсем не то, чего ожидали теоретики. Последние оценивают опытный итог и снова высказывают идеи экспериментаторам. Те опять включают свои машины. И так далее, и так далее.

Как обнаружить распад протона? А. Беккерель открыл радиоактивность урана с помощью кристалла урановой соли весом всего в несколько граммов (самый быстро распадающийся изотоп урана — уран-234 — имеет краткий век). Понятно, что в случае с протонами граммов вещества будет недостаточно. Самый простой способ обнаружить распад протона (будем для определенности считать, что время его жизни составляет 10^31) — это наблюдать в течение года по меньшей мере за 10^31 протонами.

Масса такого количества протонов составляет что-то около 18 тонн. Но на практике неизбежно разбавление протонов нейтронами, поскольку они, как и протоны, имеются в ядрах любого вещества, поэтому вес «детектора» — это может быть вода, железо и другие вещества — должен быть больше; как минимум надо «иметь под рукой» тысячу тонн.

А чтобы действовать наверняка, необходимо увеличить этот вес до 10 тысяч тонн. Тогда можно было бы надеяться зарегистрировать примерно дюжину случаев распада протонов за год.

А теперь представим себе, как будет проходить такой эксперимент.

На глубине сотни (лучше тысячи) метров под поверхностью планеты надо найти или вырубить в скальных породах полость размером в десятки кубических метров.

Готово? Тогда грузим тяжеловесные составы (сцепленные из специально обработанных изнутри цистерн) особо чистой водой. Ее предварительно следует отфильтровать от примесей самым тщательным образом до кристальной прозрачности!

Затем эту доставленную к «шахте» воду надо с большими предосторожностями закачать в облюбованный подземный резервуар.

Но и этого мало. Стенки резервуара должны быть увешаны тысячами архичувствительных регистрирующих счетчиков.

В общем-то идея эксперимента проста. Вот только реализовать ее не так-то легко. Ведь требуется, по пословице, обнаружить иголку в стоге сена.

Первая трудность — примеси в воде. Даже мельчайшие концентрации посторонних веществ в жидкости могут имитировать распад протона и ввести экспериментаторов в заблуждение.

Вторая трудность — наличие громадных объемов вещества, необходимого для обнаружения распадов протона, влечет за собой нужду в пропорционально большом количестве регистрирующих приборов. К примеру, потребуются многие тысячи одних только фотоэлектронных умножителей.

Но еще больших хлопот доставляет проблема фона.

Искомый сигнал, свидетельствующий о распаде протона, может затеряться в шумах, вызванных не относящимися к делу явлениями.

Фон может быть внутренним, связанным с радиоактивностью воды и примесей, и внешним, космическим.

Этот наиболее неприятен.

Если установку расположить на поверхности Земли, то в кубометре воды за год произойдет примерно 10^9 реакций, вызванных космическими лучами. И отношение полезного сигнала к шумам будет ничтожным.

Космические лучи и гонят экспериментаторов под землю, заставляют размещать цистерны с водой в глубоких шахтах или туннелях. Стальные стенки метровой толщины не могут оградить испытуемое вещество от пришельцев из космоса, приходится в качестве щита использовать километровые земные толщи.

Но все эти трудности только раззадоривают физиков, мобилизуют их энергию, волю. Слишком велик научный куш, слишком высока цена победы!

Эксперимент века

Сейчас в поиски распадающихся протонов включились большие группы физиков на всех континентах, исключая лишь Австралию.

В СССР в Баксанской нейтринной обсерватории (Северный Кавказ) на глубине 850 метров под горой Андырча, что в Баксанском ущелье, успешно действует установка, вес которой около 300 тонн. Возможно, для этих же целей будет использована в будущем и соляная шахта вблизи города Артемовска на Украине.

Подобные же устройства функционируют в золотых, соляных и прочих шахтах Индии, Японии и других стран. Пока (данные 1983 года) самый большой детектор весом в 10 тысяч тонн воды находится в США в штате Огайо. Но Италия намерена побить этот рекорд — ввести в действие 12-тысячетонное устройство. А анализировать распады протона в нем будут черепковские счетчики.

Трудности подобных экспериментов становятся все очевиднее. Не так-то просто разместить такую уйму сверхчистой воды на глубинах в несколько километров.

Кроме того, в сырых и душных шахтах нелегко работать пе только экспериментаторам, но и приборам. А вот еще более серьезное затруднение.

Если время жизни протонов (обозначим его через tp) значительно превышает 10^33 лет (теоретики смогли установить только нижнюю границу их жизни), то сооружение более крупных детекторов может оказаться и вовсе бесполезным. Ибо вместе с ростом детекторов будет пропорционально расти и неустранимый фон шумов.

При tp больше 10^35 лет в установках пойдут реакции, инициированные нейтрино. Они практически полностью имитируют протонные распады. Остается лишь надеяться, что физикам повезет: что tp меньше 10^35 лет.

Многие научные обозреватели справедливо называют поиск распадающихся протонов экспериментом века.

И вот почему.

Прежде всего будет доказана (если протон нестабилен) реальность великого объединения. Со всеми вытекающими отсюда последствиями. Их стоит перечислить.

Во-первых, будет существенно подкреплена кварковая гипотеза.

Во-вторых, удастся приоткрыть завесу над таким загадочным обстоятельством, как отсутствие в нашей Вселенной антивещества.

И наконец, космологи с помощью физиков смогут проэкстраполировать процесс развития Вселенной далеко в будущее, вплоть до времени, когда Вселенной исполнится 10^100 (!) лет. Если протон не вечен, то, по предсказаниям ученых, к этим почтенным срокам все протоны распадутся, а все галактики превратятся в «черные дыры»…

Эксперимент века должен решить множество проблем. Оттого-то физикам не терпится. Один из них выразился так: «Если уж протону суждено умереть, пусть он умрет у нас на руках и поскорей!»

А вот мнение Л. Окуня: «Если распад протона будет обнаружен экспериментально, то это надо будет рассматривать как особую благосклонность Природы к физикам». Ибо, продолжает ученый, «нам удалось бы заглянуть, как сквозь замочную скважину, в «горячую лабораторию» великого объединения». Поясним последние слова.

Ныне физики как бы пытаются по нескольким костям (распад протона) восстановить облик древнего ящера.

А если говорить без риторических фигур, они хотят понять суть явлений, масштабы которых сейчас кажутся фантастическими.

Это мир расстояний порядка 10-29 сантиметра, или, по-иному, мир частиц (они уже получили особое название: векторные Х- и Y-бозоны) с чудовищными массами в 10^15 mр, где mp — масса протона.

Пояснить дерзость этого научного предприятия можно так. Если когда-нибудь и будет построен ускоритель с радиусом, равным радиусу земного шара, то и тогда можно было бы наблюдать частицы всего лишь с массой (10^7- 10^8)mр. Если же мы во что бы то ни стало захотим добиться рождения Х- и Y-бозонов, то придется строить ускоритель длиной около светового года!

Теперь, надеемся, понятно, как заманчиво проникнуть в тайники природы окольными путями, не строя ускорителей, а изучая лишь распады протонов.

«Калибровочная» пустыня

И. Ньютон верил в простоту мира. «Природа довольствуется простотой, писал он, — и не любит пышности излишних причин». Однако «простота» И. Ньютона была позднее подправлена А. Эйнштейном, а сейчас многие физики считают, что и его уравнения также необходимо усложнить и модифицировать.

Можно ли считать простоту синонимом истинности?

Существует ли особый «принцип простоты»? Подобного рода вопросы не только философски интересны, но, возможно, имеют и практический аспект.

Допустим, есть две конкурирующие теории. Обе кажутся верными и требуют экспериментальной проверки.

Но эксперименты ныне стоят больших денег. Так вот, если бы простоту можно было бы измерять и если простота теории действительно увеличивает вероятность того, что наиболее простая из теорий самая верная, то, измерив простоту и проведя сперва испытание более простой теории, мы сразу же сэкономили бы немалые средства.

Мистика простоты явно сквозит в трудах многих признанных классиков науки. Мы не удивляемся, если самая простая гипотеза одерживает верх над соперницами.

Гелиоцентрическая система поляка Н. Коперника (1473–1543) гораздо проще объяснила суть истинного движения планет относительно неподвижных звезд, чем неуклюжая модель грека К. Птолемея (II век новой эры), включающая громоздкий набор небесных сфер.

Этот и другие примеры из истории науки настойчиво внушают мысль о простоте мира. И немало философов от науки усматривают тут стремление Природы к своеобразной экономии своих средств. Но, безусловно, все это спорные вопросы.

Что есть истина? Что такое простота? Как их строго определить? И можно ли? А что, коли в природе существует не один вид простоты, а несколько целая иерархия? Не следует ли к простоте относиться диалектически? Английский философ и математик А. Уайтхед (1861–1947) учил, что лозунгом каждого настоящего ученого должен быть: «Ищи простоту и не верь ей!»

Пример того, что простота может быть совсем не простой, приводит американский популяризатор науки М. Гарднер. Он вспоминает о серии комиксов «До нашей эры», где на одной из картинок показано, как пещерный житель изобрел квадратное… колесо.

Полуголый изобретатель рад, вот только пассажиры (колесо-то с углами) в претензии: зверски трясет! Тогда одетый в шкуры конструктор в муках рождает новый проект — «более простое» колесо треугольной формы.

Конечно, число «встрясок» за один оборот колеса сведено к минимуму, но очевидно, что древний новатор еще дальше ушел от идеала, от простейшего колеса — круга, у которого вовсе нет углов. И это вопреки тому, что круг представляет собой самое сложное изо всех колес — ведь это многоугольник с бесконечным числом углов!

А теперь вновь вернемся к проблеме распадающегося протона.

«Великое объединение» многое упрощает, сводя тройку сил к одной. Но какое это разочаровывающее упрощение! Нежданно-негаданно физики вдруг очутились в «калибровочной» пустыне. Они привыкли к тому, что каждое новое поколение ускорителей, каждое новое продвижение по шкале до сих пор открывало и новые физические явления. Количество неизменно и довольно быстро переходило в качество. А тут нате!

Сейчас экспериментально физики добрались до размеров 10-16 сантиметра. Если протон смертен, им сразу откроются и масштабы, соизмеримые с 10-29 сантиметра.

Они получат возможность заглянуть на 14 порядков вперед по длинам и энергиям! И на этих громадных «пространствах» им не встретится, есть такие подозрения, ни одного существенно нового явления — пустыня!

Если протон развалится-таки, то этот эксперимент определит развитие физики высоких энергий на долгие годы. Он, как камертон, настроит физику на «дали», где видится предельная, минимально возможная в природе длина 10-29 сантиметра.

В какой-то мере идейно физика как наука будет исчерпана, а физики, словно путешественники, начнут буксовать, как вездеход, тонущий в сыпучих барханах знойной пустыни.

Ощущение такое, пишет Л. Окунь, как если бы облака вокруг Земли были бы очень плотными и только наше поколение, прорвавшись сквозь них, вдруг впервые узрело бы далекие звезды и мертвые и пустынные космические дали. И человек отчетливо осознал бы, что между ним и ближайшей звездой космическая пустота.

Понятно, что в этих условиях некоторые физики заговорили о конце физики, об ее исчерпаемости. Другие же, напротив, борясь с этими, как им кажется, пагубными мнениями, указывают на то, что мы, возможно, не вправе распространять наши физические идеи и представления, развитые и подтвержденные для масштабов 10-15 сантиметра (пока охота за кварками и другими диковинами микромира дошла до этого предела), в области с масштабами до 10-29 сантиметра. И что, следовательно, ученых ждут еще многие сюрпризы. И еще, добавляют они, не надо забывать, что «великое объединение» только шаг на пути к «суперобъединению» (включающему и последнюю силу — гравитацию). А там возникнут не просто загадки — все это может стать началом совсем новой физики.

Вот так исследование микромира, находящееся сейчас на стадии детального изучения прежде всего кварковой проблематики, ставит перед физиками и философами вопрос большой принципиальной важности. Кто прав? Сторонники того, что наука бесконечна, или те, кто считает, что научный прогресс рано или поздно, но непременно прекратится?

Обсуждение этой кардинальной для всей науки проблемы и станет темой следующей главы.

4

Сколько у природы законов?

Наш Мир — не завершенье

Там — дальше — новый Круг

Невиданный — как Музыка

Вещественный — как Звук.

Он манит и морочит

И должен — под конец

Сквозь кольцо Загадки

Пройти любой Мудрец.

Эмили Дикинсон

Величественный старик в густой шапке седых волос неторопливо подошел к кафедре, отпил из стакана несколько глотков крепчайшего чая, обвел взглядом многочисленную аудиторию и начал:

— Господа, я полагаю, что физику как науку можно считать вполне законченной… Нам осталось провести лишь некоторые малосущественные уточнения и доделки…

Так, на рубеже XIX и XX столетий знаменитый английский физик, один из основоположников термодинамики и кинетической теории газов, президент Лондонского королевского общества, автор четырех сотен научных работ, почетный член Петербургской и многих других академий наук мира, У. Томсон (1824–1907) (за выдающиеся научные заслуги был в 1892 году пожалован в пэры и получил титул лорда Кельвина, отсюда пошла и многочисленная научная терминология: температурная шкала Кельвина, уравнение Кельвина и т. д.) в присутствии множества виднейших ученых решительно и торжественно «закрыл» науку.

Однако патриарх (У. Томсона нельзя путать с его более молодым однофамильцем Дж. Томсоном, открывшим электрон) ошибался. Очень скоро мир представлений лорда Кельвина был вдребезги разбит новыми неожиданными открытиями: рентгеновские лучи (1895), радиоактивность (1896), обнаружение электрона (1897), идентификация радия (1898). Природа открывала исследователям все новые научные истины. И все же в чем-то У. Томсон мог оказаться прав.

В самом деле, вечен ли безудержный прогресс науки?

Не иссякнет ли когда-нибудь родник открытий? Ведь существуют же, как надеются некоторые ученые, элементарные первочастицы материи (кварки? не потому ли их трудно обнаружить, что кварковый уровень материи является последним рубежом микромира?), из которых построен весь остальной мир. Так же, казалось бы, могут существовать и «самые последние» предельно общие законы мироздания, познав которые наука исчерпает себя.

И возникает принципиальный вопрос: конечно ли число законов природы или бесконечно? Вечен ли процесс познания или ему наступит неизбежный конец?

«И с физикой будет покончено»

Давно известно: чужие ошибки мало чему нас учат.

Предсказания, подобные высказанному У. Томсоном, делались до него не раз и, видно, будут повторены еще неоднократно.

Французский астроном и математик П. Лаплас (1749–1827) любил повторять: «Дайте мне все начальные условия, и я предскажу будущее мира». Таким образом, П. Лаплас считал: законов механики вполне достаточно для объяснений всех явлений не только физики, но и всего естествознания.

О подобном же характерном и поучительном эпизоде из своей жизни рассказал немецкий физик-теоретик М. Планк (1858–1947). В 17 лет, решив посвятить себя занятиям теоретической физикой, он пришел к другу отца, декану физического факультета, 70-летнему профессору Жоллп пробить совета. Юноша жаждал одобрения, благословения, теплых слов напутствия. К его удивлению, ответ маститого ученого был совсем иным. «Молодой человек, сказал Жоллп, — зачем вы хотите испортить себе жизнь, ведь теоретическая физика уже в основном закопчена? Стоит ли браться за такое бесперспективное дело?.. Конечно, — продолжал метр, — в том пли ином уголке можно еще заметить или удалить пылинку, но система как целое стоит прочно, и теоретическая физика заметно приближается к той степени совершенства, каким уже столетия обладает геометрия…»

К счастью, М. Планк не внял этим словам и позже стал одним из творцов квантовой механики, лауреатом Нобелевской премии, жизнью своей опровергнув прогноз своего наставника.

Увы, увы!.. Этот и ему подобные факты истории пауки, эти многочисленные заблуждения прошлого не стали уроком и для новейшей физики, которая взорвала классические догмы времен Лапласа и Кельвина.

Квантовая механика, созданная в основном в 1925–1927 годах, открыла совершенно новый, изумительный мир явлений природы. И один из ее создателей, В. Гейзенберг, вскоре после получения им Нобелевской премии самоуверенно и дерзко заявил: «В течение нескольких лет мы навели порядок в электродинамике. Теперь нам нужно еще несколько лет на атомные ядра, и с физикой будет покончено. Тогда мы сможем приступить к биологии…»

За этими не очень скромными словами скрывается следующее. Поклонник простоты В. Гейзенберг, как и другие большие физики его времени, мечтал доказать единство всех физических стихий. В последние годы жизни он попытался (к этому времени и сильные и слабые взаимодействия стали известны науке) объединить все четыре основные силы в одну. Дерзкий замысел!

В результате семи лет упорной работы им опубликована система из четырех нелинейных дифференциальных уравнений — ее называют «нелинейной спинорной теорией», или «формулой мира Гейзенберга».

Теория Гейзенберга обещала многое — объяснить все характерные особенности элементарных частиц, величины всех констант взаимодействий, словом, исчерпать физику как науку так же, как может быть исчерпана вода в иссякающем колодце. Увы! Поиск имеющих физический смысл решений предложенных В. Гейзенбергом уравнений, их математическая интерпретация оказались делом чрезвычайно сложным. Эти попытки не закончены и по сей день.

А вот совсем недавний пример подобных же прогнозов. Р. Фейнмана (родился в 1918 году), американского физика-теоретика, лауреата Нобелевской премии (1965), автора широко известных у нас «Фейнмановских лекций по физике», пожалуй, представлять не надо. Его мнение очень весомо и поддерживается многими ныне живущими физиками. Вот что он пишет в книге «Характер физических законов»: «Мы угадываем все новые и новые законы. Сколько же их будет, в конце концов, этих новых законов?..»

И сам несколько позднее отвечает: «Не может быть, чтобы это движение вперед продолжалось вечно… Мне кажется, что в будущем произойдет одно из двух. Либо мы узнаем все законы, то есть мы будем знать достаточно законов для того, чтобы делать все необходимые выводы, а они всегда будут согласовываться с экспериментом, на чем наше движение вперед закончится. Либо окажется, что проводить новые эксперименты все труднее и труднее, и все дороже и дороже, так что мы будем знать 99,9 процента всех явлений, но всегда будут такие явления, которые только что открыты, которые очень труды) наблюдать и которые расходятся с существующими теориями, а как только вам удалось объяснить одно из них, возникает новое, и весь этот процесс становится все более медленным и все менее интересным. Так выглядит другой вариант конца. Но мне кажется, что так или иначе, но конец должен быть…»

Может показаться, что Р. Фейнман говорит лишь о будущем физики? Отнюдь. И другим областям знания он предрекает ту же судьбу: «Наступит время вырождения идей, вырождение того же сорта, которое знакомо географу-первооткрывателю, узнавшему, что по его следам двинулись полчища туристов».

Перекличка поэтов

Незримыми путями, окольными тропами, исподволь, неприметно научные истины просачиваются за стены профессорских кабинетов, сбрасывают с себя академические мантии, и вот они уже стали предметом трамвайных разговоров, пробрались на страницы газет, их начинают зубрить школьники.

Однако прежде всего научные истины становятся добычей философов. Часто философами, так сказать, по совместительству оказываются сами ученые.

Последние лет десять жизни знаменитого французского математика А. Пуанкаре (1854–1912) протекали в атмосфере начавшейся революции в естествознании.

Это во многом определило интерес ученого к философским проблемам науки. А. Пуанкаре, возможно, был одним из первых науковедов. Он оставил потомкам ряд любопытных трудов: «Ценность науки», «Наука и гипотеза», «Наука и метод». Занимался ученый и многими вопросами теоретической физики. Так, к примеру, он автор сочинения «Динамика электрона» (1905), где, как считают отдельные историки науки, одновременно и независимо от А. Эйнштейна построил то, что позднее было названо «Специальной теорией относительности». (Добавим, что соперником А. Эйнштейна выступает еще и X. Лоренц.)

Понятно, что при такой широте интересов А. Пуанкаре не раз высказывался о будущем наук.

В 1904 году на Международном конгрессе искусства и науки в Сент-Луисе (США) он сделал доклад. В нем он пытался очертить перспективы теоретической физики.

(Правда, называл он ее иначе — математической физикой.) В отличие от Кельвина и других пророков, предвещавших неизбежный и скорый закат физики, А. Пуанкаре крайне осторожен в выборе выражений. «Нужно только представить себе, — говорил он на конгрессе, обрисовывая современное состояние науки, — каких глупостей наговорили бы великие ученые, жившие сто лет назад, если бы их спросили, что будет представлять собой физика XIX века».

А. Пуанкаре не хочет казаться смешным. Он уверен, что дальнейшее развитие физики опровергнет все прогнозы и они покажутся тогда или слишком робкими, или, слишком дикими. Свое нежелание казаться крайне категоричным ученый прячет в неопределенности тона и шутливых оборотах. Он пишет: «Но хотя, как всякий благоразумный врач, я уклоняюсь от прогноза, я все же не могу не попробовать поставить диагноз; да, действительно, видны симптомы серьезного кризиса: похоже, что мы стоим на пороге перемен. Но не надо слишком беспокоиться, мы уверены, что болезнь не смертельна…»

Подобное благоразумие мало кто проявлял в те годы.

Удивительные научные новости будоражили умы. Дискуссии вокруг них вовлекали все большие массы людей.

Споры проникали в искусство, находили отражение даже в такой его предельно эмоциональной, предельно далекой от рефлексии области, какой является поэзия.

Примеров проникновения наук в поэзию можно было бы привести немало.

В 1611 году выдающийся английский поэт Д. Донн (у нас его, к сожалению, мало знают) написал поэму «Анатомия мира». В ней, в частности, были и такие строки:

И в сфере звезд, и в облике планет

На атомы вселенная крошится,

Все связи рвутся, все в куски дробится.

Основы расшатались, и сейчас

Все стало относительным для нас.

Не верится, что эти строчки написаны не в наши дни стремительного развития наук, а добрых три с половиной столетия назад.

Чем же вызваны эти строки Д. Донна? Его визионерством (Д. Донн считается родоначальником так называемой метафизической школы поэтов)? Вовсе нет. Имелись более прозаические причины.

Во времена Д. Донна (эпоха Возрождения) ниспровергалась физика Аристотеля. Круговые орбиты и сферичность как основа мироздания должны были исчезнуть.

(«Обезображены пропорции мира, — жалуется Д. Донн в, поэме. — Ни тверди, ни окружности!» — горестно восклицает он.) Тогда многим показалось, что симметрии и гармонии мира, а вместе с ними и всей науке пришел конец. В этом, оказывается, все дело.

Трансформация идей науки в образы поэзии, переплав мысли в чувства, числа — в метафору, рифму, ритм — все эти процессы должны были особенно бурно идти в эпоху ломкп науки, которая совершалась в начале нашего века.

В 1905 году А. Эйнштейн создал теорию относительности. А в 1922 году в сборнике стихов «Дали» самый, пожалуй, ученейший из русских поэтов, В. Брюсов, непосредственно откликнулся на эту работу стихотворением «Принцип относительности». Поэт писал:

Первозданные оси сдвинуты

Во вселенной. Слушай: скрипят!

Что наш разум зубчатый? — лавину ты

Не сдержишь, ограды крепя…

И дальше:

До чего, современники, мы дожили:

Самое время — канатный плясун!..

Истинный художник не мог остаться равнодушным к коренной ломке взглядов. Поэт потрясен разрушением привычных основ. Но В. Брюсов нисколько не горюет о старом, нисколько не оспаривает наступление новых научных времен, принимает их как должное, как задаток к будущим, еще более радикальным открытиям.

Ни о каком конце наук, их ограниченности поэт не помышляет, что подтверждает все его творчество.

Совсем иную позицию занял другой русский поэт, современник А. Пушкина, Е. Баратынский. Возможно, виновато тут то, что жил он совсем в иные, чем В. Брюсов, времена, когда наука медленно крепла в тиши «келий» исследователей-одиночек, когда отдельные разрозненные научные факты собирали силу, чтобы потом, объединившись, ставши системой, превратиться в таран выводов, расшатавших позднее сами основы наук. Как бы там ни было, свой «вклад в науковедение» Е. Баратынский отчеканил в таких строках:

Старательно мы наблюдаем свет,

Старательно людей мы наблюдаем

И чудеса постигнуть уповаем:

Какой же плод науки долгих лет?

Что, наконец, подсмотрят очи зорки?

Что, наконец, поймет надменный ум

На высоте всех опытов и дум,

Что? Точный смысл народной поговорки.

Итак, по Е. Баратынскому, в человеческой мудрости заключены начала и концы всех научных изысканий о человеке и об отношениях между людьми. Здравый смысл, оказывается, уже охватил тут все наиболее существенное. Невероятно, чтоб было открыто нечто небывалое.

Конечно, «научные высказывания» Д. Донна, В. Брюсова и Е. Баратынского не следует понимать слишком буквально. Просто стихи этих поэтов в какой-то мере попали в цель, невольно совпали с двумя крайними точками зрения о будущем всех наук.

Исчерпание или бесконечное развитие? Тупик или дали без конца и края? Кое-кто считает: дилемма эта уже решена, до кризиса дело никогда не дойдет. Более того, этому, говорят, имеется даже строгое доказательство. Его дала, разумеется, математика.

Теорема Гёделя

К. Гёдель, логик и математик. Его биографию можно уложить в несколько строк. Родился (1906 год) под нынешним Брно (Чехословакия), учился в Венском университете, после аншлюса, с приходом нацистов в Австрию, эмигрировал в Америку, стал подданным США.

Биографию К. Гёделя, строго говоря, следовало бы излагать не так: ее надо бы нанизать на понятия теории множеств, на термины логики Буля, словом, выразить на языке математики. Вот тогда-то она стала бы обширной и захватывающей. Жаль только, прочесть ее смогли бы лишь математики!

В 1931 году в одном из немецких научных журналов появилась 25-страничная статья 26-летнего автора. Название было устрашающим: «О формально неразрешимых предложениях Principia Mathematica и родственных систем». Даже специалисты не сразу разобрались в сути этой работы, не сразу оценили глубину заложенных в ней идей.

Поколения математиков верили, что для любой математической дисциплины можно указать небольшой перечень аксиом, достаточный для систематического построения всех выводов. Также и многие глубокие умы, размышляя о природе науки, приходили к заключению о том, что должно существовать всего несколько действительно фундаментальных законов природы, познав которые человек познает все. Остальные истины уже можно будет вывести из этих основных законов чисто теоретически. Так вот, статья К. Гёделя начисто разрушала эту древнюю иллюзию. Она показывала вроде бы полную беспочвенность таких надежд.

На примере простейшей из наук — арифметики (К. Гёдель доказал «теорему о неполноте арифметики») выяснилось: есть положения, которые не могут быть «извлечены» из основных аксиом. Для их обоснования необходимо привлекать новые аксиомы-допущения.

Но после этого опять возникают недоказуемые математические проблемы. Приходится вновь расширять систему аксиом. И так до бесконечности.

А общетеоретический вывод из теоремы Гёделя (ныне ею интересуются не только математики, но и физики и философы) таков: надо вовсе оставить надежду на то, что существует несколько главных законов природы, а все остальные являются их следствием.

Уж если нельзя дедуктивным путем получить все свойства целых чисел (арифметика!), то тем более нельзя надеяться охватить все свойства решений дифференциальных, операторных и других уравнений, которые сейчас стали языком не только физики, но и химии, биологии, геологии и многих других наук. А значит, и количество законов природы нельзя ограничить никакими рамками.

Так полагают сейчас многие. Но правы ли они, сказать все-таки трудно. Ведь, скажем, физика вовсе не тождественна математике. Математика — это еще не природа, а лишь чрезвычайно удобный, надежный и хорошо опробованный инструмент для ее изучения. И К. Гёдель, возможно, лишь показал ограниченные возможности математического метода, его естественные границы.

Не более!

Тут уместно будет привести мнение физика о математике. Вот что пишет о ней Р. Фейнман: «…мы построили некоторую математическую теорию, позволяющую предсказывать результаты экспериментов. Вот тут-то и начинаются чудеса. Для того чтобы решить, что произойдет с атомом, мы составляем правила со значками, нарисованными на бумаге, вводим их в машину, в которой имеются переключатели, включающиеся и выключающиеся каким-то сложным образом, а результат говорит нам о том, что произойдет с атомом! Если бы законы, по которым включались и выключались все эти переключатели, были какой-то моделью атома, если бы мы считали, что в атоме есть аналогичные переключатели, я бы сказал, что я еще более или менее понимаю, в чем туг дело…»

И вот, казалось бы, найдя у К. Гёделя решение нашей проблемы («Сколько же все-таки у природы законов?»), мы вновь останавливаемся в недоумении и раздумье.

Унификаторы и диверсификаторы

Обычное деление ученых на математиков, физиков, биологов… Но не лучше ли делить ученых не по специальностям, а по их целям? Американский физик Ф. Дайсон предложил разбить всех естествоиспытателей на унификаторов и диверсификаторов.

Унификаторы хотят найти самые общие принципы, которые все объяснят. Они счастливы, если после них Вселенная будет выглядеть хоть немного проще.

Для диверсификаторов же главная страсть — исследовать подробности. Они в ладу с многообразием природы, вполне согласны и с афоризмом «бог любит детали», и со строчками поэта Б. Пастернака, что…жизнь, как тпшина Осенняя, — подробна.

Они будут удовлетворены, если после их многолетних трудов Вселенная окажется более сложной, чем была до них.

Великими унификаторами были И. Ньютон и А. Эйнштейн. Вся мощь и красота физики как раз и связаны с открытием законов, единых для всей Вселенной. Отсюда и возникает естественное желание продолжить этот процесс унификации и дальше, распространить его и на все новые, полученные в опыте явления.

Говорят, А. Эйнштейн был настолько уверен в непогрешимости этого пути, что в конце жизни почти не интересовался экспериментальными открытиями физики, которые тогда начинали все б°лее усложнять картину реальности…

К стану унификаторов можно отнести и великого английского физика М. Фарадея (1791–1867). Известно, что долгие годы он пытался установить связь между гравитацией и электромагнетизмом. Осознав безуспешность своих попыток, М. Фарадей записывает в своем дневнике:.

«На этом я пока заканчиваю свои опыты. Они дали отрицательные результаты. Однако это не может поколебать моей твердой уверенности в том, что связь между гравитацией и электричеством существует, хотя эти опыты и не дали основания для ее установления».

О, эта поразительная интуиция великих умов!

Физика — естественное владение унификаторов. Поэтому уже совсем неудивительно звучит высказывание все того же Р. Фейнмана о конце наук. Вот его слова: «Нам необыкновенно повезло, что мы живем в век, когда еще можно делать открытия. Это как открытие Америки, которую открывают раз и навсегда. Век, в который мы живем, это век открытия основных законов природы, и это время уже никогда не повторится. Это удивительное время, время волнений и восторгов, но этому наступит конец…»

Понятно, не каждый физик подпишется под декларацией Р. Фейнмана. И среди них встречаются диверсификаторы. Вот характерное высказывание В. Вайскопфа, бывшего директора Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН), находящегося в Женеве. Он пишет:

«Это другой вопрос, существует ли «мир Гейзенберга» или нет. Под этим я понимаю не формулу, написанную Гейзенбергом на доске, а сам факт замкнутости физики элементарных частиц. Это означало бы: если мы поняли мир частиц, ничего нового уже нельзя ожидать ни при более высоких энергиях, ни при еще меньших расстояниях, ни в других частях Вселенной. Иной подход состоит в том, чтобы вскрывать все новые явления по мере перехода ко все более высоким энергиям, считая при этом, что Вселенная неисчерпаема. Опыт последних десятилетий говорит в пользу этого предположения».

Еще более яркое высказывание по тому же поводу принадлежит Э. Вихерту, ныне несправедливо забытому немецкому физику (он один из основоположников геофизики: предложил гипотезу строения Земли, по которой она представляет собой железное ядро с минеральной оболочкой-корой, 1897 год).

В 1896 году, выступая в Кенигсберге, Э. Вихерт сказал: «Материя, которая, по нашим предположениям, составляет Вселенную, построена из маленьких кирпичиков, химических атомов. Нет нужды повторять слишком часто, что слово «атом» сейчас стало независимым от любой из старых философских теорий: мы знаем точно, что атомы, с которыми мы имеем дело, не простейшие мыслимые компоненты Вселенной. Напротив, ряд явлений, особенно в области спектроскопии, приводит к выводу, что атомы — очень сложные структуры. Что касается современной науки, то мы здесь полностью должны отказаться от мысли, что, проникая все глубже в область малого, мы достигнем когда-нибудь последнего рубежа. Я уверен, что от этой идеи мы можем отказаться без сожалений. Вселенная бесконечна во всех направлениях, не только в большом мире вокруг нас, но и в самом малом. Если мы примем за масштаб нашу человеческую шкалу и будем изучать Вселенную все далее и далее, мы наконец и в большом и в малом достигнем такой туманной дали, где нам откажут сначала наши чувства, а потом и наш разум».

Удивительно, что эти слова были высказаны тогда, когда теоретики — А. Больцман, Э. Мах, В. Оствальд — ожесточенно спорили по поводу реальности самого существования атомов. Но понятно, что высказывание Э. Вихерта резко диссонировало с мнением законодателей физики последующих пятидесяти лет М. Планка, А. Эйнштейна, — и поэтому попросту игнорировалось. Отчасти и по той причине, что диверсификаторы в физике, повторимся, редки и, как говорится, не делают в ней погоды.

А теперь более подробно о диверсификаторах. Их естественная вотчина биология. Рабочее время 99 процентов биологов и ныне тратится на детальное обследование живых объектов, на распутывание сложных особенностей поведения отдельных видов, на изучение восхитительно замысловатой архитектоники особых биохимических механизмов.

Диверснфикаторы — счастливый народ. Вселенная предстает перед ними полнокровно, в игре красок, в многоцветий запахов, в параде звуков, в изяществе и сложности форм. Для них развитие науки вовсе не процесс заполнения клеток заданного кроссворда — за каждым поворотом им чудится новая бесконечность возможностей. Ясно, они упрямо верят (не могут не верить!), что число еще не открытых фундаментальных законов неисчислимо.

Правда, и в биологии встречаются унификаторы, им был, например, Ч. Дарвин. Но это редкое исключение из общего правила, ибо установление общих законов — необычный вид деятельности для биологов. Да и Ч. Дарвин в свое время потратил уйму усилий на систематику усоногих раков…

Всегда ли столь резко будет отличаться физика от биологии? Ф. Дайсон полагает, что нет. Он верит, что наступит пора, когда физик захочет поучиться у биолога, как биолог сейчас учится у физика; пора, когда физика воспримет все бескрайнее многообразие природы как одну из своих центральных тем.

Еще Ф. Дайсон считает, что каждой науке для ее нормального развития необходимо творческое равновесие между унификаторами и диверсификаторами. В последние сто лет в физике унификаторы слишком жестко гнули свою линию…

Нужны Ломоносовы, требуются Менделеевы!

Последние десятилетия физика была лидером наук, образцом для подражания. У нее действительно есть чему поучиться: она умеет обходиться минимумом законов, упорно стремится свести весь фейерверк физических явлений к двум-трем основополагающим законам.

Физика многому научила другие науки, но может ли она сама стать их основой, фундаментом? Не содержатся ли в физике, точнее в новейших разделах микрофизики, все ответы на вопросы, которые могут поставить перед собой химия, геология и другие науки?

В такой постановке проблему эту в популярной печати в последние годы не раз ставил и рассматривал ленинградский ученый, кандидат химических наук Г. Скоробогатов. Эти претензии физиков он назвал «Физическим фундаментализмом» и решительно возражает против него.

Хотя «физический фундаментализм» стал в большой мере господствующей идеологией в науке, хотя его поддерживает авторитет виднейших ученых, Г. Скоробогатов считает мнение это совершенно необоснованным. Он ядовито пишет, что в науке (настоящей науке!) никакие вопросы не решаются большинством голосов, хотя бы голосовали и нобелевские лауреаты.

Чтобы всерьез отвергнуть или принять доктрину «физического фундаментализма», нужны математически строгие рассуждения. И Г. Скоробогатов пытается их найти. Ленинградец выдвинул много доводов: он использует теорему Гёделя, работы по статистической физике советского академика Н. Боголюбова, труды лауреата Нобелевской премии академика Н. Семенова, законы «общей теории систем», открытые сравнительно недавно (40-60-е годы) австрийским биологом-теоретиком Л. Берталанфи. Но все эти рассуждения очень сложны, поэтому мы приведем лишь простейший из аргументов Г. Скоробогатова.

Давайте, предлагает Г. Скоробогатов, просто подсчитаем, сколько времени и сколько бумаги (или машинной памяти) требуется, чтобы теоретически рассчитать полную картину движения некоторого набора взаимодействующих между собой частиц.

Г. Скоробогатов делает такие подсчеты и быстро приходит к выводу: если даже всю Вселенную превратить в электронно-счетную машину (ленинградец считает, что в видимой части Вселенной содержится не более 10^90 атомов), делающую одну операцию за 10-17 секунды (столько времени требуется электрическому току, чтобы преодолеть расстояние, равное диаметру атома), то и тогда эта чудовищная ЭВМ могла бы за все время существования Вселенной (а оно также подсчитано: 10^18 секунд!) сделать не более 10^125 операций или имела бы не более 10^125 ячеек памяти. Но такой памяти, пишет Г. Скоробогатов, не хватит уже на то, чтобы записать с приемлемой точностью квантовомеханическую волновую функцию системы, состоящей из 1000 частиц. А биологические, социальные явления как раз и протекают в больших системах, содержащих уж подавно гораздо больше, чем 1000 атомов!

Следствие?

Затеи физиков вывести дедуктивно из квантовых законов все остальные законы природы обречены на провал.

Это и другие соображения говорят, по мнению Г. Скоробогатова, о том, что число еще не открытых фундаментальных законов бесконечно; что работы для ученых а будущем еще непочатый край, что физикам и через сто, и через двести лет безработица не грозит, даже если бы им удалось реализовать идею суперобъединения главных физических законов и вообще решить все свои проблемы. Ведь свое умение обобщать, сводить к главному, отшелушивая второстепенное, физики смогли бы тогда применить в биологии, кибернетике и в тысяче других областей знания.

Одно из нежелательных последствий необоснованной веры в «физический фундаментализм», считает Г. Скоробогатов, в том, что талантливая молодежь в основном устремляется в физику, особенно в микрофизику, являющуюся «передним краем» наступления на природу. В результате здесь наблюдается «давка» талантов, в то время как в психологии, истории и других областях способных и энергичных исследователей явно не хватает. Но эта ситуация плод неразумения. Не только в физике, но и в других науках бесчисленное множество еще не открытых фундаментальных законов ждет своих Ньютонов и Эйнштейнов, Дарвинов и Павловых, Менделей и Морганов, Гёделей и Винеров, Менделеевых и Семеновых. Молодежи, уверяет Г. Скоробогатов, всегда будет где проявить свои знания, научную дерзость и неиссякаемую энергию.

«Там — дальше — новый Круг»

Согласно древнекитайским воззрениям все в мире произошло в результате столкновения двух принципов — «Ян» (означает мужское начало) и «Инь» (женское начало), на единстве противоречий которых все и держится. С принципом «Ян» китайцы ассоциируют небо, Солнце, все активное и положительное, а с принципом «Инь» — Землю, тьму, все качества пассивные и отрицательные…

Похоже, что в какой-то мере и физики упорно доискиваются у природы своих физических «Ян» и «Инь».

Те принципы, которые пронизывали бы все формы действительности.

Но попробуем внимательнее приглядеться к конструкции мироздания. Быстро замечаешь, что Вселенная явно расслаивается на отдельные обособленные миры. Мы говорим о мире звезд, мире человека, мире бактерий, мире атомов.

А еще можно говорить об уровнях Вселенной. И прыгать по ним, как по ступенькам гигантской лестницы: уровни — биологический, клеточный, молекулярный, атомный, ядерный, кварковый…

Бросается в глаза обособленность, непересекаемость этих миров-уровней. Астрономы, не испытывая никакого страха за свою жизнь, наблюдают в звездных далях устрашающей силы взрывы. Физики, изучающие космические лучи, готовы ежесекундно регистрировать катастрофы, разражающиеся в микромире. Следы на фотопластинке бесстрастно поведают об этих ядерных «авариях».

Природа поступает явно мудро, отделив невидимыми, почти непроницаемыми границами одни уровни Вселенной от других. Так что обычно пертурбация в одном мире проходит в другом почти незамеченной. Там все по-прежнему идет своим чередом.

Само собой, так бывает не всегда. По мнению бразильского геолога П. Арида — гпервые подобную мысль высказал советский астрофизик член-корреспондент АН СССР И. Шкловский, — динозавры вымерли потому, что в конце мелового периода неподалеку от нашей солнечной системы произошел взрыв сверхновой звезды.

Уровень радиации на Земле резко возрос. Это-де и погубило многих животных. Доказательства? П. Арида провел лабораторные анализы: в окаменевших костях динозавра было обнаружено повышенное содержание радиоактивных веществ.

Круги природы — им должны соответствовать круги, уровни наук, «не пересекающиеся», как миры Вселенной.

Было бы странно, полагает Г. Скоробогатов, если бы, скажем, социология базировалась на законах, ну, допустим, физики твердого тела. Не может быть и речи, чтобы химия тех материалов, из которых люди делают свои товары, определяла бы еще и законы экономики — оттого-то в том или ином обществе роль денег может играть и золото, и серебро, и соль, и даже (у отсталых племен) зубы акул!

Возьмем теперь мыслящий мозг. Кто доказал, что электронные схемы соответствующей сложности не могут заменить мозг млекопитающего? Нет таких доказательств! И скорее всего такой электронный мозг будет вскоре создан («питаться» он будет не глюкозой, а электроэнергией) и сможет мыслить в миллионы, миллиарды раз быстрее человеческого мозга.

А если так, то, видно, — новый круг природы! — существует нечто общее (пусть в одном случае работают нейроны, в другом — транзисторы) между этими типами мозга. Какие-то глубокие, прежде не познанные закономерности мышления. И настоятельно нужен новый И. Павлов (отчего бы ему не быть еще и физиком?), чтобы эти законы открыть.

Еще один пример неизбежности «расслоения» наук дает нам биофизика. Есть немало ученых, которые полагают, что для познания живой материи одной физики недостаточно. Имеются, считают они, еще и особые биотонические фундаментальные законы, применимые к биосистемам, но не действующие в мире физическом.

Все эти примеры свидетельствуют: стричь мир, так сказать, под одну гребенку не стоит. И вряд ли нужно настаивать на том, что Вселенной управляют лишь несколько избранных начал.

Природа познает себя человеческим мозгом. А человек стоит на перекрестке бесконечно большого — мир галактик — и бесконечно малого кварковые глубины.

Он невольно бросает свою человеческую «тень» на всю не сопоставимую с ним масштабами остальную часть природы. Не тут ли корни унификаторства, «физического фундаментализма»? Срабатывает инерция человеческого разума, человек орудует в любом из миров с помощью привычных и удобных для него представлений.

Он говорит: атом похож на солнечную систему, человек — на тепловую машину, световые волны — на морские. И в атомный и в звездный миры просачиваются знакомые человеку образчики и мерки. И здесь загадкой остается то, что как раз в самых трудных, казалось бы, науках, наиболее далеких от человека — в физике элементарных частиц и в космологии, — мы добились наибольших успехов. Но, может, мир одного человека отличается от мира другого человека сильнее, чем от мира атомов?

Через тысячи лет…

Однажды Пифагор, беседуя со своими учениками, взял палку и начертил ею на песке окружность.

— Внутренняя часть круга, — сказал он, — это то, что знает человек, а снаружи расстилается область нашего невежества. Но мы, как правило, о нем даже не догадываемся. Лишь то, что находится на окружности, на границе между знанием и незнанием, ощущаем мы как загадку, как неведомое, как будущую добычу нашего разума.

— Но, выходит, — заметил самый бойкий из его учеников, — с ростом наук наше незнание может только возрастать? Взгляните, — он начертил на песке еще больший круг, — чем больше мы познаем, тем длиннее становится «окружность незнания».

— Верно, — усмехнулся Пифагор, — но так будет, если рисовать круги на плоскости. А что, если наш мир больше похож на сферу? На ней круги незнания будут сначала увеличиваться, а после достижения «экватора» сферы начнут уменьшаться. И тогда, выходит, все законы будут когда-нибудь исчерпаны…

— А где же истина? — прервал наступившее молчание тот же ученик. — Как же мир и с ним наши знания устроены на самом деле?

— Кто знает! — развел руками учитель. — Если мир похож не на шар, а на расходящийся конус, то здесь, очевидно, и наше знание, и его границы, очерчивающие область еще не изведанного, как и на плоскости, будут бесконечно расти. Истина? Вряд ли ее постигнут наши внуки, на это уйдут, возможно, долгие тысячи лет…

Подумать только! Еще древние греки ставили и обсуждали подобные проблемы. Бьются над ними философы и ученые и в наши дни. А через тысячелетия будет ли найдено решение?

Видимо, нет. Скорее всего вопрос этот — сколько у природы законов? принципиально неразрешим. Это вечная загадка. И через многие века люди (надеемся, они будут жить на земле или в космосе!) станут ломать над нею головы.

И эти сомнения, эти горячие споры, эта грызущая неудовлетворенность будут поднимать по утрам новые поколения исследователей, гнать их в дорогу, толкать на новые научные подвиги!

Выскажем еще одно соображение, почему и через тысячи лет та проблема, о которой говори гея в этой главе, вряд ли будет исчерпана. Дело в том, что скорее всего число фундаментальных законов непостоянно: более того, в нашс-й Вселенной оно растет пропорционально времени! Поясним эти слова…

Если говорить о живой материи, то ее развитие выглядит как непрерывная последовательность нарушений симметрии и, следовательно, возникновения все более сложных образований.

В первичном однородном океане нечто дифференцировалось в клетки (симметрия нарушилась!), затем новый скачок — из клетки возникли организмы… Расслоение популяции человекообразных обезьян привело к возникновению человека, языков, культуры, искусств, наук.

И этот процесс дальнейшего увеличения многообразия скорее всего не имеет конца.

Но каждая новая еще более сложная система управляется собственными закономерностями. И законы «верхних этажей» вовсе не сводятся к законам «этажей нижних».

Но, спрашивается, отчего сложность биологических систем прогрессирует? Почему эволюционная эстафета всегда движется от простого к сложному, а не наоборот?

Ответ уже имеется. Все дело в том, полагает эстонский академик Г. Наан (он много занимался проблемами философии и космологии), что сложное лучше приспосабливается к окружающей среде, чем более простое. Имеет больше шансов выжить в условиях многообразных, в том числе и разрушительных воздействий среды. Приспособление к среде, адаптация к ней — великий универсальный фактор эволюции в направлении все большего совершенства. Собственно, приспособленность ведь и есть мера совершенства.

Это если говорить о живом. Ну а неживая природа — мир звезд и атомов? Прослеживается ли и тут тенденция к усложнению? Растет ли и здесь со временем число законов?

Космологи дают на это положительный ответ. Подробности?

Они станут в известной мере темой следующей главы.

5

Гармония атомных сфер

Там — власть, там — творческие горны!

Пред волей числ мы все — рабы,

И солнца путь вершат, покорны

Немым речам их ворожбы.

Валерий Брюсов

Эверест — непальцы зовут этот горный массив Джомолунгмой — 8848 метров над уровнем моря, высочайший пик Земли. Но почему, собственно, высочайший? Отчего не могут быть — размеры планеты позволяют! — горы повыше, скажем, стокилометровой высоты? Что ограничивает их рост?..

Фантазия ума? Пустые мысли? Нет, вопрос вполне законный. И ответ уже известен. Его дала наука, способная обсуждать и гораздо более сложные проблемы.

Величайшего удивления достойны попытки человека ответить на коренные вопросы мироздания: отчего мы живем именно в трехмерном пространстве? Способно ли время течь вспять? Конечен наш мир или же бесконечен?.. До недавних пор подобное отваживались обсуждать лишь философы да писатели-фантасты. Однако наука развивается сейчас с такой головокружительной быстротой, ч го в эти давние споры начали вступать и ученые-естественники. И прежде всего физики.

Великолепная семерка

Древнегреческий математик и философ Пифагор (570–500 гг. до и. э.) считал, что числа составляют сущность всех вещей и Вселенная наша представляет собой на деле гармоническую систему чисел и их отношений.

Последователи Пифагора — пифагорейцы (свой тайный союз они окружили страшной секретностью, желающих вступить в союз подвергали долгим и строгим испытаниям, только пятилетним молчанием абитуриент мог доказать свою способность к самоотречению) приписывали числам таинственные, сверхъестественные свойства. Согласно их учению из куба возникла земля, из пирамиды — огонь и так далее. Особое внимание уделяли они чету и нечету: в единице усматривали даже нечто божественное. Наивно?

Но в какой-то мере наука ныне исповедует те же взгляды, пытаясь всю многоликость явлений свести к действию очень малого количества числовых факторов.

(Наука тем и отличается от мифологии, что говорит на языке математики, на языке формул, дающих пусть и упрощенную, но верную модель мира.)

Высота земных гор не превышает 9 километров. Почему? Да потому, что прочность камней у основания гор не выдерживает больших нагрузок. (Недаром каменная пирамида Эвереста в основании сложена из прочнейших пород докембрийских гнейсов и гранитов.) Но прочность определяют электрические силы сцепления атомов.

Так, в конечном итоге высота гор оказывается зависящей от соотношения между электричеством и гравитацией.

Земля отстоит от Солнца на 150 миллионов километров. Случайность? Вовсе нет. Именно здесь центробежная сила (вращение Земли вокруг Солнца) уравновешивается силой притяжения. Вот так ход планетам диктует постоянная тяготения, входящая в данный нам И. Ньютоном закон.

Не метры и дюймы, не килограммы и фунты (это единицы случайные, недаром когда-то в каждой стране существовала своя система мер, и даже миля американская отличалась от мили английской), а именно фундаментальные постоянные (это и постоянная тяготения G, и скорость света с, и постоянная Планка h, и многие другие коэффициенты, содержащиеся в основных физических законах) предопределяют видимую гармонию нашей Вселенной, именно они «заказывают» и музыку жизни.

Однако фундаментальных постоянных (или констант), так же как и всех физических законов, слишком много — несколько десятков. В этом многоголосии нелегко подслушать основные ритмы Вселенной, скрытую суть вещей. Поэтому физики в основу своих построений обычно кладут константы четырех основных взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного. Силы эти можно превратить в числа, если энергию каждого из взаимодействий поделить на энергию кванта света — фотона.

В последние годы оригинальные подходы в космологии предложил старший научный сотрудник Института космических исследований АН СССР доктор физико-математических наук И. Розенталь. Одна из его последних (препринт опубликован в 1982 году) статей носит броское и интригующее название «7 чисел, определяющих структуру Вселенной».

В эту семерку, кроме упомянутой выше четверки сил, московский ученый добавил еще две комбинации из масс протона и нейтрона, деленных на массу электрона (числа!): из этих трех частиц состоят все атомы. И венчает список фаворитов природы еще одно число — размерность N физического пространства (мы «прописаны» в трехмерии, у нас N=3).

Вот она — великолепная семерка чисел, держащая якобы в своих браздах все тайные пути мира, все ключи от Прошлого, Настоящего и Будущего.

Конструирование вселенных

Жажда познания у ученых безгранична. Череда вопросов все растет, так как каждый ответ рождает десятки новых, еще более сложных. К примеру, в физике элементарных частиц давно уже есть некая проблема массы.

Чтобы войти в суть этой проблемы, напомним, что скорость света или, скажем, постоянная Планка потому-то и являются фундаментальными постоянными, что эталоны эти не созданы руками человека (как метр или секунда), а сотворены самой природой.

Замечательное свойство скорости света (говоря о ее величине, обычно имеют в виду скорость света в вакууме) в том, что она одна и та же для всех наблюдений.

Даже формально нельзя построить теории, в которой были бы постоянны две скорости, скажем, скорость света и скорость звука. (Скорость света одна-единственная, а скорость звука в сухом воздухе — 330 м/с, в пресной воде — 1430 м/с, в металлах она еще больше.)

И постоянная Планка только одна, общая для всех физических систем. Это стало понятным с открытием квантовой механики.

Но вот странность: природа позаботилась о том, чтобы дать миру эталон скорости и эталон действия (размерность h есть энергия, умноженная на время, эту странную на первый взгляд единицу ввел в 1900 году М. Планк), а вот эталона массы природа не сотворила.

Для массы масштаба нет!

Существует громадное множество элементарных частиц, и у каждой своя масса. Почему их так много? Никто этого не знает.

Заметим еще, что и масштабов расстояний, как и масштабов массы, природа предоставила человеку также в изобилии — выбирай любой!

И масштаб времени также остается полностью не определенным.

Видимо, чтобы пойти на этот произвол, у природы были для этого веские основания. Но какие?

Пока это тайна.

Но попробуем задать вопрос попроще. Почему семерка основных (назовем их мировыми) чисел именно такая? И этого мы пока не знаем. Однако это не мешает нам поразмыслить над тем, что произойдет, если константы взаимодействий будут иметь другие значения. Кто может помешать нам мысленно увеличивать или уменьшать величину заряда электрона е или, скажем, постоянную тяготения G?

У американского фантаста Р. Шекли есть остроумный рассказ. В нем некая космическая строительная контора по заданию «заказчиков» создавала… Метагалактику.

Продолжим эту шутку писателя. Предположим, «заказчикам» наш мир чем-то не по нраву и они задумали улучшить его, создав новый вариант. Им захотелось сконструировать Вселенную, в которой некоторые из помянутых выше семи имели бы несколько иное значение.

Что же, заказ есть заказ! Получив такие необычные «рабочие чертежи», строительная фирма, не посоветовавшись с учеными, принялась за дело.

Дельцы руководствовались здравым смыслом. Казалось очевидным, что возводимая ими Метагалактика, хотя и окажется несколько иной, но все же будет вполне приемлемой для существования. Ну, несколько сократятся (или увеличатся) размеры атомов, скажем, слоны и киты станут метровых размеров… Или, допустим, убыстрится время: десятки минут сократятся в минуты. Так ли уж велика будет разница?

А вы, читатель, что думаете на этот счет? Решились бы вы, будь ваша воля, на подобную «хирургию»?

Подобное неподобно

Геометрия научила нас подобию фигур. Теорема Пифагора одинаково справедлива и для маленького прямоугольного треугольника, и для большого. А есть ли подобие в мире физических явлений?

Видимо, первым изучал эту проблему великий итальянский ученый Г. Галилей (1564–1642).

Отец Галилея был известным музыкантом, но 17-летнего сына отправил изучать медицину в Пизанский университет, где (случайность?) тот впервые познакомился с физикой Аристотеля.

В сохранившихся юношеских записях лекций будущего великого физика можно найти разбор наивных и схоластических вопросов: является ли небо простым или составленным пз «элементов», одушевлено ли оно и так далее. Гений Г. Галилея креп медленно и своего расцвета достиг, пожалуй, только в пору счастливых исследований по механике машин и законов падения тел.

В эти же годы им была написана работа с велеречивым названием «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки и относящиеся к механике и местному движению». В ней он изложил результаты изысканий (сказались занятия медициной?) по механике тел животных. Тут-то Г. Галилей и показал наивность надежд на подобие в мире физики.

Вопрос ставится так. Представьте, вы проснулись утром и узнаёте, что размеры всех предметов в мире и ваши увеличились в одинаковое число раз. Казалось бы, факт этот никак себя не обнаружит, в мире ровно ничего не изменится. Увы! Это не так.

В своей работе Г. Галилей сформулировал правило, известное теперь как «квадратно-кубичный закон».

При увеличении всех размеров животных или человека их объем возрастает в кубе (если ваш рост увеличить вдвое, вы станете в восемь раз тяжелее), однако площадь поперечного сечения их костей — а следовательно, их прочность — только в квадрате. Потому-то стройный красавец олень, увеличенный до размеров слона, был бы смят, буквально раздавлен собственным весом. Кости ног оленя просто не выдержали бы такой тяжести. Великаны слоны потому и могут существовать, что кости у них толще и массивнее…

Это было крупное открытие Г. Галилея. Отсюда следовало, что животные и растения на Земле имеют наиболее выгодные размеры. А для нашей истории важно тут то, что подобное оказывается неподобным!

(Любопытно, что после Г. Галилея та же проблема очень занимала английского писателя Д. Свифта (1667–1745). Первые две части «Путешествий Гулливера» рассказывают о людях в 12 раз меньше нормального человеческого роста и о великанах 70 футов высотой 21 метр.)

Д. Свифт проявляет бездну остроумия, но малую проницательность. Он и не подозревает, что, будь лилипуты человеческими существами из плоти и крови, они бы обладали способностью прыгать, как блохи, на высоту, в несколько раз превышающую их собственную. А великаны Бробдингнега оказались бы настолько привязаны к земле, что вряд ли бы сумели просто находиться в вертикальном положении.)

Итак, в поле тяготения подобия нет. Горы не бывают сколь угодно высокими, в океане нет сколь угодно больших глубин. Но — важное замечание! — горы все же бываю/ большие и малые. Колеблются и размеры животных и растений. Есть люди высокие и низкие (в среднем рост людей колеблется примерно на 20 процентов от средней величины).

Однако эти вольности, вполне допустимые в мире макрообъектов, совершенно исключены в микромире.

Электроны — тем же свойством должны обладать нейтрино, кварки, фотоны все одинаковы, все «сшиты» по одному типовому образцу. Нет электронов, подобно людям, больших и маленьких. Каждый электрон имеет массу ровно в 9,1094 x 10-28 грамма. Электроны абсолютно взаимозаменяемы, и никому еще не удавалось обнаружить хоть какую-либо разницу между двумя электронами.

Таинственное обстоятельство! Отчего электроны представляют собой скопище миллиардов близнецов, которых никакая «мама» не различит, — вопрос непростой. Это еще одна из глубоких загадок природы. Поиски ответа завели бы нас слишком далеко. Поэтому обсудим более простое: отчего бы массе электрона (или любой другой его характеристике) не быть несколько иной? Ну хоть сколько-нибудь отличающейся? Чуть-чуть большей или чуть меньшей?..

Ветерок рушит скалы

Вы взяли в руки молоток и ударили по кирпичу.

Он развалился. Но было бы странно, если б тот же удар расколол еще и атомы, из которых слагается кирпич.

Впрочем, странно ли?

Начнем мысленно (и осторожно!) изменять мировые константы. Спрашивается, сохранит ли после подобных «операций» наш мир внутреннюю крепость вещей (устойчивость атомов) или начнет разваливаться у нас на глазах?

Изменим вначале и без того малую константу тяготения, скажем, увеличим ее на 10 процентов. Что произойдет? Сократится радиус земной орбиты, увеличится количество тепла, поступающего на Землю от Солнца.

Температура Земли, как показывают расчеты физиков, подскочит на 100 градусов. Понятно, резко изменится и климат, изменится угрожающе. В подобных условиях существование на Земле высокоорганизованной органической материи стало бы, по-видимому, невозможным.

Возьмем теперь крошку электрон и лишь слегка увеличим его массу. Казалось бы, пустяк. Но вновь от этого малого «толчка» возникнут страшные последствия — наша Вселенная, утверждают физики, превратится в… нейтронную Вселенную!

Дело в том, что существование галактики, звезд, планет зависит от стабильности атомов водорода, состоящих из одного протона и одного электрона. И если увеличить массу электрона в 2,5 раза, то все атомы водорода будут коллапсировать по схеме: р + е-KI+V. Выражаясь простыми словами, все протоны и электроны, слившись, превратятся в нейтроны и нейтрино. Возникает нейтронная Вселенная. И наш мир, сжимаясь, превратится либо в нейтронную звезду, либо в «черную дыру».

Подобная «игра» с массами электрона, протона и нейтрона может привести и к другим вариантам: водородной Вселенной (в ней элементы с атомными весами, больше единицы будут отсутствовать, и останется только водород!), лептонной Вселенной (все протоны в конце концов превратятся в лептоны, то есть в электроны и нейтрино, для чего необходимо лишь несколько изменить силу электромагнитного взаимодействия), гелиевой Вселенной (если несколько увеличить ядерные силы, то можно все протоны превратить в атомы гелия)…

И последний пример. Попробуем изменить заряд электрона. Если его увеличивать, то притяжение к находящимся в атомном ядре протонам погубит все тяжелые (с большими атомными весами) элементы (конечно, мир в целом должен остаться электронейтральным, поэтому необходимо увеличить и заряды протонов). А увеличив заряд электрона в 12 раз, можно извести таким «приемом» все сорта атомов, включая и атом водорода!..

Столь же неожиданная ситуация возникнет, если уменьшать заряд электрона. Силы, притягивающие протоны и электроны в любом атоме, при этом уменьшатся, атомы станут более рыхлыми, увеличатся их размеры.

Трехкратного уменьшения заряда электрона достаточно, чтобы все вещество Земли превратилось в плазму. И не останется на ней ни растений, ни животных, ни людей.

Странным, непредсказуемым станет мир. Кристаллическая структура скал начнет разрушаться даже от легкого дуновения ветерка. Падение камня с горы порвало бы и связи молекул — в веществе пошли бы неконтролируемые химические реакции…

Подобные умозрительно-физические упражнения можно продолжать и дальше. Многие примеры заимствованы нами из вышедшей в 1984 году книги И. Розенталя «Элементарные частицы и структура Вселенной». Читатель найдет в ней не только многочисленные ответы на древний вопрос: «Как устроен мир?», но и на тот, который люди осмелились задавать себе лишь недавно: «Почему мир устроен так, а не иначе?»

Итак выясняется, что семерка мировых чисел подогнана друг к другу настолько тщательно (современный теолог мог бы утверждать, что господь-бог творил не небо, землю, свет… а скрупулезно подбирал фундаментальные постоянные!), что даже небольшое изменение мировых констант способно вызвать катастрофические последствия. Так что мы живем в мире, «сработанном» исключительно тонко и гармонично.

Впрочем (о, диалектика!), о какой гармонии мира может идти речь, когда структура нашей Вселенной оказалась столь неустойчивой! Ведь мы только что убедились, что даже небольшое изменение фундаментальных постоянных кардинально ломает привычную картину мира.

При этом один за одним «исчезают» основные элементы Вселенной — ядра, атомы, молекулы, звезды, галактики.

И еще. Те дельцы, строители Метагалактики (вспомним о них), непременно бы обанкротились, убедившись лишний раз, что сегодня без науки и шагу ступить нельзя!

Большой Взрыв

Потребность исследовать Вселенную, размышлять о ней, глубоко заложена в уме и природе человека. Однако космология — наука, соединяющая расчеты физика-теоретика, наблюдения астронома и размышления философа, — родилась и оформилась сравнительно недавно.

Одна из центральных тем космологии — как возникла Вселенная. Сейчас большинство ученых придерживается модели «горячей расширяющейся Вселенной».

Тот взгляд, что наша Вселенная, ее галактики, планеты, разумная жизнь на них являются результатом так называемого Большого Взрыва, мысль о том, что примерно 18 миллиардов лет назад Вселенная представляла собой крохотный сгусток материи, обладающий бесконечно высокими температурой и плотностью, что затем, после «взрыва», началось расширение вещества, которое продолжается и поныне и проявляет себя в экспериментально установленном разбегании галактик (интересно, что разлетающиеся галактики мы наблюдаем такими, какими они были примерно Ю9 лет назад!) от общего центра, — все эти необычные, даже дикие с точки зрения здравого смысла представления пробили себе дорогу совсем недавно.

Прежде — а писал об этом еще Аристотель — Вселенная считалась статичной, неизменной. Идея вечности «механизма часов Вселенной» никем не оспаривалась.

Но то были заблуждения. Мы знаем, например, что радиоактивные элементы необратимо распадаются. В вечной Вселенной радиоактивное вещество давно должно было бы развалиться. И сам факт существования радиоактивности свидетельствует: с момента образования Земли и других объектов Вселенной прошло конечное время.

Все так. И все же мысль о Большом Взрыве с трудом укладывается в голове. И космологам, которые развивали эти полуфантастические идеи, вначале было нелегко: их взгляды были встречены с неодобрением.

Однако факты, собранные астрономами, подтвердили самые, казалось бы, «безумные» утверждения теоретиков.

И современный сценарий развития Вселенной уже дописан до времен, отстоящих от момента взрыва на столь ничтожную величину, для которой у математиков нет даже названия, — до 10-43 секунды. И суждения космологов считаются теперь столь же верными, сколь верно то, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот.

Но что же, галактики так и будут вечно разбегаться друг от друга? Не может ли случиться, что они повернут назад и начнут сближаться?

Теория утверждает, что в «ближайший период», в течение, скажем, пятидесяти миллиардов лет разбегание сохранится. А дальше? Возможно, бег галактик замедлится до полной остановки, а затем они (если на то будет соизволение управляющих миром фундаментальных постоянных!) начнут движение вспять, пока не сольются в первоначальную точку.

И снова будет Большой Взрыв. И родится новая Вселенная… Какой она будет? Это и есть второй «большой» вопрос космологии (эта наука становится все респектабельнее, все представительнее проходят съезды ее ученых). Каковы возможные варианты рождающихся вселенных? Скажем, наш мир имеет три координаты, но отчего бы «очередной» Вселенной не быть двухмерной, плоской или, наоборот, четырех-, пятимерной?..

О Большом Взрыве, о связанных с ним проблемах, о спорах космологов довелось мне узнать во время наших встреч с И. Розенталем. Много необычного и любопытного рассказал он.

И. Розенталь окончил МГУ в 1941 году. С блеском начал исследовательскую работу у Д. Блохинцева. Но началась жестокая война. На фронте И. Розенталь командовал радиолокационной установкой. После войны занялся изучением космических лучей, исследовал элементарные частицы. А в последние годы с юношеским пылом увлекся космологией.

— К вопросам космологии я подхожу с экспериментальных позиций, — помню, говорил И. Розенталь. — Давайте исходить из той реальности, которая существует. Расположим все известные нам элементарные частицы в порядке возрастания их массы. Быстро обнаруживается: все частицы сгрудились тесной группкой вокруг протона, его массу можно считать за среднюю. И только электрон, имеющий массу в тысячи раз меньшую, чем протон, явно выпадает из общей компании. Это гигантский выброс, большая флуктуация в мире элементарных частиц.

— Этот факт имеет глубокий смысл?

— Да. Такие флуктуации совершенно необходимы для существования сложных форм материи. Ведь вы уже убедились, что подправлять конструкцию Вселенной очень опасно: даже небольшой сдвиг в величине массы электрона привел бы к катастрофе…

В беседах с И. Розенталем я начал постигать удивительную нетривиальность набора фундаментальных констант Вселенной. Но oсобенно увлекли меня новые идеи ученого, высказанные им в статье «Образование вселенных в пространстве переменной размерности».

Наш лучший из миров!

Незадолго до смерти, в 1924 году, В. Брюсов написал стихотворение «Мир N измерений». Начиналось оно так.

Высь, ширь, глубь. Лишь три координаты.

Мимо них где путь? Засов закрыт.

С Пифагором слушай сфер сонаты,

Атомам дли счет, как Демокрит.

Дальше поэт говорит о мирах N измерений. О том, что тем, кто в них живет (эти существа он условно называет богами), наш мир кажется ограниченным и смешным.

Наши солнца, звезды, все в пространстве,

Вся безгранность, где и свет бескрыл,

Лишь фестон в том праздничном убранстве,

Чем их мир свой гордый облик скрыл.

Наше время — им чертеж на плане.

Вкось глядя, как мы скользим во тьме,

Боги те тщету земных желаний

Метят снисходительно в уме.

Миры N измерений — абстракция, придуманная ученым, фантазия поэта?

Не только. В начале 20-х годов нашего века математики Т. Калуза и Ф. Клейн предприняли еще одну попытку унифицировать гравитацию и электромагнетизм.

Для этого они вообразили некий пятимерный мир и вычислили его пятимерную кривизну, так же как это делал А. Эйнштейн для четырехмерных пространства-времени.

Результат этих математических манипуляций поразил исследователей. Дополнительные уравнения, которым подчинялись компоненты кривизны в пятом измерении, оказались просто уравнениями электромагнитного поля, давно выведенными Дж. Максвеллом! Похоже было, что электрический заряд действительно связан с пятым измерением и его кривизной.

В последние годы, полстолетия спустя после публикации работы Т. Калуза и Ф. Клейна, наблюдается взрыв интереса к подобного же рода исследованиям. Многие ученые верят в то, что пятое измерение существует.

A не замечаем мы его только потому, что оно «свернулось в кольцо» очень малого радиуса, размером менее 10-33 сантиметра. И произошло это за первые 10-43 секунды после возникновения Вселенной в процессе Большого Взрыва. В результате пятимерное пространство-время свелось к четырехмерному, которое мы воспринимаем, а пятое, фактически скрытое от нас, косвенным образом проявляется в заряде.

Если эти мысли верны, то можно пойти и дальше.

Кроме гравитации и электромагнетизма, существуют еще два проявляющих себя в микромире взаимодействия: сильное и слабое. Не означает ли это необходимость увеличения числа измерений? Не на этом ли пути произойдет объединение всех четырех главных сил в одну, объединение, о котором рассказывалось в главе 3?

Полный ответ на эти вопросы пока отсутствует, но предварительные оценки показывают, что мы скорее всего живем вовсе не в трехмерном, как это обычно принято считать, мире, а во Вселенной, имеющей в качестве основы число измерений, по меньшей мере, равное 11.

Но в момент зарождения Вселенной 8 из 11 «координат» мироздания начали катастрофически сжиматься, превратившись в итоге в точечные образования, обусловливающие характерные свойства элементарных частиц. И только трем координатам «повезло»: высота, длина, ширина, выражаясь условно, не схлопнулись, а, наоборот, стали «выпячиваться», «раздуваться» до гигантских размеров, составив то, что и называется ныне нашей Вселенной.

Вот так оказывается, что разговоры об N-мирах не пустые слова. И эту интересную тему можно продолжить в несколько ином направлении. Можно объяснить (наука на это уже способна!), почему мы живем именно в трехмерном мире.

Разгадка этого вопроса такова. Двухмерие слишком бедно возможностями, слишком «тесно» для возникновения в нем сложных форм материи, полноцепная жизнь там развиваться не может хотя бы потому, что в двухмерном мире атомы были бы сверхстабильными — электроны было бы невозможно оторвать от ядер. В 1907 году в Лондоне был издан роман с необычным содержанием.

«Эпизод во Флетленде» — так он назывался. В нем было все — и любовь, и война, и катастрофы, и желанный хэппи энд — счастливый конец. Отсутствовало в романе лишь… третье измерение.

Во Флетленде — стране плоскатиков — жили двумерцы, существа, выдуманные автором книги, преподавателем математики Г. Хинтоном. Жили в буквальном смысле плоско, трудно (обойти дерево двумерец не мог: должен был его по крайней мере свалить), ущербно, убого…

Но отправимся теперь на другой «полюс» — в четырехмерное (время не в счет!), к примеру, пространство.

Казалось бы, сколько тут открывается возможностей!

Однако, заметим, подобные путешествия (не то, что экскурсия по Флетленду) непросты. Наш интеллект легко может вообразить себе огнедышащего дракона с двенадцатью хвостами, но четырехмерный куб простая вроде бы фигура! — представить себе очень нелегко.

С этим справляется только натренированный и изощренный ум математиков.

Ученые мысленно проникли в многомерные миры и убедились — вход в них нам, людям, также категорически заказан. Еще в начале века нидерландский физик П. Эренфест показал, что в пространствах, где координат больше трех, устойчивые системы существовать не могут.

Тут проявляет себя другая крайность — сверхнестабильность. В таком мире планеты быстро бы по спирали упали на Солнце или улетели бы от него в бесконечность.

И электроны не смогли бы устойчиво обращаться вокруг ядер.

Выходит, наше счастье, что страна N-мерие, в которой мы живем, имеет «номерной знак» N = 3. А точнее следовало бы выразиться так: если бы Вселенная не была трехмерной, жизнь в ней, видимо, просто бы не возникла. И уж если продолжить тему «везения», то его признаки, это легко показать, проявляют себя буквально на каждом шагу. Ну хотя бы такой факт «удачи». Вселенная наша расширяется именно с такой скоростью, которая необходима для зарождения в ней разумной жизни. Можно показать, что при других темпах расширения биологическая эволюция просто не успела бы (если считать, что расширение Вселенной должно смениться ее сжатием!) совершиться…

Персонаж одной из философских повестей Вольтера Панглосс («Всезнайка»), который, как известно, преподавал юному Кандиду метафизико-теолого-космологонигологию, очень любил распространяться о том, что наш мир лучший из миров (точнее, он выражался так:

«В этом лучшем из возможных миров замок монсеньора барона был прекраснейшим из замков, а его супруга была лучшей из баронесс»).

В этих иронических словах проглядывает старая претензия человека считать себя центром мироздания, средоточием, пупом Вселенной. Н. Коперник, Д. Бруно и другие мыслители покончили с подобным самомнением, с мнением, что человек якобы занимает во Вселенной центральное, привилегированное положение.

Но, к сожалению, как это часто случается, в дальнейшем повсеместное распространение идей Коперника и Бруно привело к антидогме. Стали полагать, что жизнь, словно сорная трава, может произрастать на любой, даже очень каменистой, почве. Стало само собой разумеющиеся считать, что вообще положение человека в мирозданип не может быть привилегированным ни в каком смысле, что, конечно же, неверно, ибо необходимыми предпосылками существования жизни является целый ряд специальных благоприятствующих условий: температура, химический состав окружающей среды (ведь нет же жизни на ближайших к нам Марсе и Венере!) и многое другое.

И вот сейчас космологи хотят выправить крен, сформировать правильное уравновешенное понимание природы мироздания и нашего истинного места в нем. И итогн получаются удивительные: выходит, что мы таки все же живем в лучшем из миров! Мы обитаем в метагалактике, «сработанной» удивительно тонко и гармонично.

Это чрезвычайно удачное сочетание физических констант (в частности, электрон просто обязан быть лилипутам среди других элементарных частиц) представлялось бы просто невероятным, если бы существование «наблюдателей», то есть нас с вами, не было бы бесспорным фактом. И жизни необычайно повезло, что в момент Большого Взрыва набор основных физических констант оказался столь уникальным. Другие сочетания дали бы негармонические миры. В них ядра, атомы, звезды, галактики, не говоря уже о высокоорганизованных формах существования материи — живых созданиях, скорее всего бы отсутствовали…

«Сфинкс засмеется и жизнь на Земле иссякнет»

«Я не нашел в вашей «Небесной механике» бога, сударь», — сказал Наполеон Бонапарт выдающемуся французскому астроному и математику П. Лапласу. «Я не нуждаюсь в этой гипотезе, чтобы построить картину мира». вежливо ответил ученый.

Этот обмен репликами состоялся примерно два века назад. Но и в наши дни любой любознательный, но далекий от науки человек может сделать космологу замечание а-ля Наполеон Бонапарт. Услышав рассказ о Большом Взрыве, трудно удержаться от мыслей о каких-то сверхъестественных силах. Слова «бог», «создатель» так и просятся на язык.

«Что означает эта неизменная удача? — как-то при встрече спросил я у И. Розенталя. — Почему фортуна так к нам благосклонна? Невольно создается впечатление, что кто-то хочет, чтобы жизнь в нашей Вселенной обязательно состоялась. Как все это понять?»

«Есть два взгляда на этот счет. Многие ученые на Западе склоняются к теологической точке зрения. Фактически они толкуют об акте творения, о том, что мир создан (слово «господь-бог» тут можно произносить явно тгли нет — это роли не играет) именно таким, чтобы в нем мог существовать человек».

«Что же этому можно противопоставить?»

«То, что мир не один-единственный, что он вовсе не создан творцом, а что есть множество миров, образующихся по законам случая. И что со Вселенной нам просто чертовски повезло — мы вытянули, так сказать, счастливый номер в лотерее жизни. Могли быть варианты, которые не оставили бы для высокоразвитой жизни никаких шансов…»

* * *

Числа правят миром. Так полагали древние (Платон свое знаменитое учение об идеях в конце жизни переработал в духе пифагореизма, усматривая теперь источник идей «в идеальных числах»). Так думают и ныне живущие ученые. Но, конечно же, между космогонией древних греков и воззрениями современных физиков дистанция огромного размера. Неизмеримо возросли уровень и глубина понимания процессов, происходящих во Вселенной. А главное отличие все же в другом.

У древних космологов математика играла роль идеального кормчего в хаосе идей, вещей, явлений, буквально захлестывающих древних мудрецов. Это была палка слепца, с трудом нащупывающего дорогу. Современные же ученые ставят конечной целью понимание природы чисел, управляющих нашим миром. И нет сомнения: рано или поздно тут им будет сопутствовать удача. Вот этому пример.

Мы живем в трехмерии. Но это вовсе не означает, что, углубляясь в микромир, в средоточие материи, или же стремясь к бескрайности мегамира, к далеким галактикам, человек не может столкнуться с областями, где царит иное измерение, отличное от трехмерного.

Существует подозрение, что кварки, эти загадочные субчастицы, как бы обретаются в особом одномерном (мезонные кварки, в каждом мезоне сидит кварк и антикварк) или двухмерном (кварки, составляющие протон или нейтрон, тут они собраны по трое) мире. В свободном состоянии их никак не могут обнаружить. Возможно, трудность состоит здесь в том, что кваркам нелегко «вырваться» в пространство большего числа измерений: из одно- и двухмерия в наш трехмерный мир…

И еще замечание. Мы начинаем постигать, почему попытки понять Вселенную, несмотря на практическую бесполезность этого занятия, так необходимы натуре человека. Интуитивно мы чувствуем, что между нами и всей необъятной Вселенной как бы протянуты незримые нити. Что человеческая жизнь не просто завершение длинной цепочки случайностей, но что наше существование каким-то пока непостижимым образом предопределено с самого начала.

В одной из древнейших иероглифических надписей, найденных в Египте, сказано: «Когда люди узнают, что движет звездами, сфинкс засмеется и жизнь на Земле иссякнет».

Человек уже начал постигать механику небес. Вселенная как бы оказалась у него на ладони под увеличительным стеклом. Но пророчество-угроза не сбылась.

Что же, какой-нибудь египетский жрец объяснил бы это тем, что мы все еще не добрались до самого начала — начал мироздания, до его потаенного ядра. Ведь еще не разгадано, откуда берутся вселенные!

Кто мог бы на этот вопрос ответить? Пожалуй, только физики-теоретики. О них — следующая глава.

6

Блудные сыны науки

Жил однажды человек, который был очень крупным специалистом по драконам.

Он самым тщательным образом изучил разновидности драконов, их признаки и привычки, умел прекрасно отличать один вид драконов от другого. Но, к сожалению, за всю жизнь ему ни разу не пришлось встретить ни одного дракона. И он не слышал, чтобы кто-то другой видел дракона. Когда же этот ученый приблизился к старости и утомился от вдумчивого изучения драконов, он стал обучать своему опыту молодых людей, чтобы и они так же хорошо разбирались в этой важнейшей области знания — драконологии.

Из книги В. П. Шелеста «Осколки»

История науки хранит в своей памяти следующий курьезный случай. В 1912 году немецкий физик (не теоретик!) Дж. Франк принимал кафедру физики в Пражском университете. Заканчивая беседу с ним, декан сказал:

— Мы хотим от вас только одного — нормального поведения.

— Как? — поразился Дж. Франк. — Неужели для физика это такая редкость?

— Не хотите же вы сказать, что ваш предшественник был нормальным человеком? — возразил декан…

А предшественником Дж. Франка был Альберт Эйнштейн.

Наука XX века требовала бунтарей, еретиков, радикалов, безумцев, восставших против очевидностей физики XIX века. Настоятельно требовалась и постепенно оформилась в физике (как из маленькой затравки в расплаве вырастает прекрасный кристалл) и совершенно новая, необычная профессия, профессия, требующая большого напряжения духовных сил, умения в мыслях ворочать целыми мирами, из мертвых математических символов и животворных фактов эксперимента лепить правильно работающую физику. Короче, наука требовала профессии физика-теоретика.

О добрых старых временах

Первыми задумались об устройстве мира и о своем месте в нем древние греки. Эти поиски они называли философией (буквально с греческого — любовь к мудрости или любомудрие).

И отголоски этой страсти к знаниям у древних эллинов живы в науке и сейчас. Еще и в наши дни на Западе ученый после защиты диссертации неважно, в области математики это или биологии — удостаивается степени доктора философии, хотя естественнее было бы употребить тут слова «доктор такой-то науки».

На фоне поисков, длящихся долгие тысячелетия, удивительно, что слово «ученый» — изобретение сравнительно недавнего времени.

В английском (видимо, и в других языках) еще века полтора назад этого слова не было. Тогда исследователей законов природы просто называли «людьми науки».

Даже в 1895 году лондонская газета «Дейли ньюс» объявляла слово «ученый» американским новшеством, а английский писатель-фантаст Г. Уэллс до конца своих дней считал выражение «человек науки» наиболее правильным.

Показательно и то, что еще пару веков назад тон в науке задавали непрофессионалы (сейчас бы их назвали дилетантами, любителями).

Открывший людям с помощью микроскопа мир микроорганизмов А. ван Левенгук был купцом, занимался торговлей мануфактурой и галантереей. Создатель учения о фотосинтезе Дж. Пристли был священником. Один из основоположников термодинамики, С. Карно, был профессиональным военным.

Ах, эти блаженные дни, дни юности науки! В созданном людьми науки «Лунном обществе» (Англия) живо и непринужденно обсуждались проблемы не только научные.

Изобретатель паровой машины Д. Уатт спорил о музыке с крупнейшим астрономом и музыкантом В. Гершелем. Э. Дарвин размышлял об эволюции теорию которой суждено было создать его внуку Ч. Дарвину, — а по пути домой сочинял стихи.

Но времена менялись. Постепенно в Англии — она была тогда самой развитой капиталистической державой — стали возникать чисто научные учреждения: Лондонское королевское общество, позднее — Королевский институт. В 1900 году была основана Британская академия…

На смену широким дискуссиям за бокалом доброго вина, которые некогда велись при мягком свете свечей, пришли все более специальные доклады на собирающих множество людей семинарах, коллоквиумах, конференциях и симпозиумах. Для специалиста той или иной науки это удобный способ отвести душу, вдосталь наговориться на своем ученом, тарабарском для посторонних жаргоне, обсудить во всех деталях и подробностях проблему необнаруженных кварков, синтез аминокислот или особенности строения усиков у дрозофилы.

Трудно точно сказав, когда в науке началась эра специализации. Но она началась, и наука все более стала напоминать сокровищницу за семью печатями, доступную лишь избранным, где хранятся сундуки с драгоценностями и бирками «Физика», «Химия», «Бшшния»…

Каждый сундук заперт на замок с секретом, открыть его может только тот, кто посвящен в тайну его механизма. А в сундуках — множество ящиков и ящичков с надписями: «Ядерная физика», «Кристаллография», «Цитология», «Биофизика».

Кое для кого «специализация» — бранное слово. Такие считают: ученый обязан быть универсалом, должен выходить за тесные рамки своей профессии, а главное — активно вторгаться в жизнь. Это еще одна тенденция науки, яркая примета нашего времени.

Дитя века телевидения

Худой, бледный, лысеющий профессор занимает место перед телекамерой. Растерянно жмурясь от ослепительного света, он неловко разворачивает заранее составленный текст и прерывистым голосом слово в слово перечитывает его содержание.

Заметно нервничая, он торопливо отвечает на вежливые вопросы репортеров, пересыпая свою речь туманными техническими и научными терминами.

Интервью, к счастью, длится недолго, и ученый наконец получает возможность незаметно ускользнуть в любезную его сердцу лабораторию, где, окруженный рядами колб и пробирок, в насыщенной едким запахом формалина атмосфере он может спокойно отдаться делу своей жизни.

Таков привычный классический образ ученого.

Так было, так есть, но вряд ли все это сохранится и в будущем. Наука непрерывно и очень быстро меняется, и сейчас на авансцену выходят ученые совершенно нового типа.

Профессор Стэнфордского университета (США) биолог, специалист по чешуекрылым насекомым П. Эрлих в научном мире известен своими исследованиями в области антологии и демографической биологии. Он автор ряда учебников и около сотни научных работ. Все это дает основание считать его полноценным ученым.

Однако среди широкой аудитории его имени сопутствует совсем иная слава. Его перу принадлежат несколько бестселлеров — его книги «Демографическая бомба» (1968), «Как остаться среди живых» (1971) и «Конец эры благосостояния» (1974) разошлись многомиллионными тиражами.

Знаменит П. Эрлих и как популярный лектор, и как энергичный пропагандист своих научных взглядов. Широко пользуясь методами коммерческой рекламы, он настойчиво требует решительного обуздания демографического взрыва.

П. Эрлих не принадлежит к числу ученых, робеющих перед ярко освещенной рампой эстрады, его не смущают переполненные аудитории или дотошные телерепортеры и журналисты. Беседуя с корреспондентами или обращаясь к миллионам телезрителей, он мастерски сочетает природные данные оратора с эффектными жестами и умением вовремя сгустить краски, чтобы с большим драматизмом подчеркнуть мысль.

Живость, непринужденность, едкий юмор, дерзкое инакомыслие, яркость образов — характерные черты стиля его выступлений. Вот краткий образчик его речи:

— Утверждать, что проблема демографического взрыва касается только недоразвитых стран, это все равно, что говорить сидящему рядом с тобой пассажиру: «Берегитесь, ваша честь, корабль тонет…»

Однако П. Эрлих не только дитя века телевидения и массовой продукции дешевых книжных изданий. Он еще и порождение серьезных качественных изменений, которые претерпевает сейчас вся наука.

И ученые нового типа (П. Эрлих лишь наиболее яркий их представитель) пытаются приспособиться к процессу модернизации науки. Они нащупывают новые пути влияния и новые каналы связи между наукой и обществом.

Сейчас многие ученые решительно поднимают свои голос в борьбе за мир. Так, академик М. Марков — также и председатель Советского Пагуошского (Пагуош — местечко в Канаде, где было положено начало ежегодным встречам ученых, выступающих за предотвращение мировой термоядерной войны и научное сотрудничество) комитета, автор многих статей, где говорится об ответственности ученых за сохранение человечества.

Другие исследователи отдают свое время популяризации научных знаний. Среди них примечателен А. Азимов, в прошлом профессор биохимии (Бостонский университет, США), а ныне широко известный писатель-фантаст. Им же написано больше сотни (!) научно-популярных книг.

Пока сами ученые взваливают на свои плечи дополнительное бремя забот. При этом, конечно, они вынуждены быть непрофессионалами: дилетантами от политики, от журналистики и т. п. Но, видимо, положение это временное. Скорее всего в будущем университеты будут готовить людей, соединяющих в одном лице ученого и популяризатора, ученого и специалиста по научной рекламе, ученого-международника и так далее.

Мы видим: сейчас в науке есть ученые самых разных стилей, окрасок и мастей. И все же среди этой пестроты трудно не приметить стоящую особняком удивительную фигуру Теоретика.

Скитающийся на чужбине

Когда-то любой физик был одновременно и экспериментатором и теоретиком. Он не только открывал, но и математически формулировал законы природы.

Яркий пример такого совместительства дал И. Ньютон. Ведь он открыл закон всемирного тяготения, разложил солнечный луч на составные цвета и в то же время создал новые разделы математики, быстро ставшие основным оружием физики, — дифференциальное и интегральное исчисления.

Так было. Однако физика ныне настолько разрослась, забралась в такие теоретические выси и эмпиреи, мир физических представлений стал настолько изощренным, что возникла настойчивая нужда в особом сословии физиков — так появились физики-теоретики.

Зачем нужны физики-теоретики — об этом горячо спорят и сейчас. И неудивительно: физик-теоретик похож и на палеонтолога, который пытается восстановить облик мамонта по нескольким костям; и на следователя, обязанного по двум-трем, часто второстепенным уликам раскрыть сложное преступление; и на конструктора, который из имеющихся у него немногих стандартных деталей норовит скомпоновать будущую чудо-машину; и на криминалиста, старающегося воссоздать портрет человека, которого он никогда не видел.

Так и физик-теоретик: из немногих экспериментальных фактов он хочет создать свою версию, свою конструкцию какой-нибудь очередной неуловимой невидимки (кварки?) микромира.

Да и что такое теория — тут также есть о чем поразмыслить. Одни утверждают: она-де обязана раскрыть нам глубинную простоту и стройность мироздания там, где нетеоретик видит лишь бессмысленное нагромождение явлений.

Другое мнение о пользе теорий: они должны подсказывать, какие нужно поставить новые эксперименты.

Эта миссия явно не по нутру теоретикам. Теория не служанка эксперимента, недовольно ворчат они…Теория должна охлаждать горячие головы… Не допускать потери времени на опыты заведомо бесполезные… Теория то, теория се… Споры идут, а теория меж тем высится, как некий прекрасный интеллектуальный собор, воздвигнутый, как говаривали в старину, во славу божию и приносящий глубокое удовлетворение и его архитекторам-теоретикам, и толпе «верующих».

Запутаны и связи теоретической физики с математикой. Физики охотно пользуются математическим аппаратом, берут и самые тонкие ее разделы, но обращаются с ними очень своеобразно.

Математик — так считает польский писатель-фантаст С. Лем — похож на портного-безумца. Он словно бы ничего не знает ни о людях, ни о птицах, ни о растениях.

Его будто бы и не интересует мир — он шьет одежды.

Для кого? Он не ведает, не думает об этом. Он заботится лишь о последовательности, симметрии и о прочих странных правилах шитья.

Готовую продукцию портной-математик относит на громадный склад. Там залежи одежды. Всякой. Одни костюмы подошли бы осьминогу, другие деревьям и бабочкам. Есть образчики и для людей, кентавров, единорогов и для таких созданий, которых даже трудно себе представить. Безумие?

И да, и нет. Ибо физики, перетряхивая груды «пустых одежд», созданных математикой, взяли, например, матричное исчисление и создали (фактически это сделал в 1925 году В. Гейзенберг) квантовую механику — эту основу для физики элементарных частиц.

Главное различие между физиком-теоретиком и математиком в методе мышления. Первый мыслит индуктивно — от частного к общему, идет к обобщениям от догадки, он знает, что его взгляды всегда приближенны и потом их наверняка придется пересматривать. Физик-теоретик все время как бы решает невообразимой сложности уравнение, единственным корнем которого являются фундаментальные законы, правящие миром.

Не то — математик. Его стихия — дедукция: он предпочитает искать общее, а уж из него вылавливать частное; да, собственно, частности его не так уж и волнуют, частности он оставляет другим.

Подведем итоги наших размышлений. Непростое положение у физика-теоретика. Ни физики-экспериментаторы, ни математики не признают этого иммигранта за своего.

Экспериментаторам теоретическая деятельность кажется подозрительной и малоплодотворной; она-де не прибавляет новых законов в копилку знаний. Математикам же не по душе то, что физик-теоретик, говорящий на языке математики с заметным акцентом, часто действует недостаточно строго и что у него нет тех красивых и головоломных проблем, которыми так богата Топология, Теория чисел и другие «горячие точки» новейшей математики.

Вот и оказался теорфизик, так сказать, в положении блудного сына, убежавшего из отчего дома — физической лаборатории — и скитающегося на чужбине, перебиваясь подаянием (что-то даст очередной «решающий» эксперимент!).

Лаборатория — в авторучке

«Хотя имена великих ученых-теоретиков хорошо известны, — пишет шведский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии X. Альфвен, — не каждый представляет себе, каким образом они работают. Часть их работы напоминает деятельность художника: и художник и ученый отделяют существенное от хаоса чувственных восприятий и представляют это существенное в возможно более концентрированной и элегантной форме. Подобно тому как художник выражает свои мысли и чувства в красках, скульптор — в глине, музыкант — в звуках, так и профессионал от искусства науки использует формулы и законы, которые, подобно всякому обогащенному отражению окружающего нас мира, являют собой степень красоты. Высочайшая похвала, которую теоретик может заслужить, показывая вновь выведенную формулу, это восторженный возглас его коллеги: «Как она красива!»

Подобные мысли не всегда были общепринятыми.

Вначале века один из великих теоретиков физики, человек, объяснивший смысл загадочной энтропии, австриец Л. Больцман, провозгласил: «Оставим изящество портным и сапожникам!..»

Все это похоже на давний спор о физиках и лириках — заметит читатель. Нет, не совсем так. И вообще не будем отвлекаться, а лучше повнимательнее приглядимся к действиям теоретика. Вот он что-то рассказывает, стоя у черной доски. В руках — исписанные листочки бумаги да мел. Еще указка — и это все его оружие.

Однажды спросили А. Эйнштейна, где находится его лаборатория. Он быстро вынул из нагрудного кармана авторучку и сказал: «Вот здесь».

Конечно же, обладают теоретики и особыми профессиональными секретами. «Чем сложнее рассматриваемая система, — любил повторять член-корреспондент Академии наук СССР, автор первых отечественных курсов теоретической физики Я. Френкель (1894–1952), — тем, по необходимости, упрощеннее должно быть ее теоретическое описание… Физик-теоретик в этом отношении подобен художнику-карикатуристу, который должен воспроизвести оригинал не во всех деталях, подобно фотографическому аппарату, но упростить и схематизировать его таким образом, чтобы выявить и подчеркнуть наиболее характерные черты…»

Может показаться, будто физик-теоретик (лист бумаги, авторучка, собственная голова) ярый индивидуалист, отшельник-анахорет. Ничуть! Как никто другой (чтоб разум не затупился?), нуждается он в постоянных контактах с коллегами.

Директор Международного центра теоретической физики в Триесте (Италия) пакистанец А. Салам вспоминает: «Я был тогда единственным физиком-теоретиком в стране. Ближайший коллега находился в Индии. Вы не представляете себе, что это такое. Физик-теоретик просто обязан иметь возможность беседовать, спорить и даже кричать, если необходимо. Я помню, как однажды мне позвонил Вольфганг Паули. Он находился тогда в Бомбее. Он сказал, что чувствует себя очень одиноко и хотел бы, чтобы я приехал к нему поговорить. Я сел в самолет и вылетел в Бомбей. Когда я постучался в дверь его номера, оп пригласил меня войти и, забыв поздороваться, быстро заговорил: «Проблема заключается в следующем. Если мы возьмем члены с производными в действии по Швингеру…»

Да, какими бы абстрактными материями ни занимались физики-теоретики, ничто человеческое не чуждо и им. Так, многие из них были хорошими спортсменами.

Страстным альпинистом был академик, лауреат Нобелевской премии И. Тамм (1895–1971) (недавнее первое восхождение на Эверест советские альпинисты совершили под руководством сына И. Тамма, тоже физика, доктора наук и тоже неуемного альпиниста).

Н. Бор был в молодости футболистом такой высокой квалификации, что национальная сборная не раз доверяла ему защиту своих ворот. Когда в 1922 году Нобелевский комитет отметил его высокой наградой, одна датская газета писала: «Известному футболисту Н. Бору присуждена Нобелевская премия».

О выдающихся физиках-теоретиках прошлого Н. Боре, В. Паули, Э. Ферми, наших советских — Л. Ландау, И. Тамме, Я. Френкеле, И. Померанчуке можно было бы поведать много интересного. Эти фигуры достойны бронзы и мрамора. Но автору хотелось бы снизить пафос, убрать патетику. И просто рассказать о работе физика-теоретика, живущего среди нас, дать его по возможности в действии. И еще показать, что дорога в микромир, охота за кварками и другими диковинными частицами неожиданно вывела исследователей на бескрайние просторы космоса.

Андрей Линде

Я вышел на станции метро «Юго-Западная» и сел в автобус. Он долго, минут сорок, увозил меня все дальше от центра города. Почти у Московской кольцевой дороги, рядом с лесной рощицей, стоял 16-этажный дом-башня.

Лифт поднял меня на 13-й этаж, я позвонил. Дверь открыл А. Линде, молодой физик-теоретик.

Гипотезу о «горячей» Вселенной выдвинул в 1946 году физик-теоретик Г. Гамов (1904–1968). Он-то первым и заговорил о физике, обусловившей расширение Вселенной.

Гипотеза Г. Гамова, неоднократно уточнявшаяся и выдержавшая экспериментальную проверку, оставляла открытыми вопросы о сверхранних состояниях Вселенной.

Но можно ли и насколько приблизиться к нулевому моменту, моменту «пуска» Вселенной?

Еще десять лет назад сверхплотным веществом считалось вещество с плотностью 10^14 - 10^15 граммов в кубическом сантиметре, с плотностью, незначительно превосходящей ядерную. А как описать состояние материи, в котором Вселенная находилась в начальные доли секунды, было совершенно неясно. Теперь, после работ А. Линде, А. Старобинского и других (в основном советских) теоретиков, уже удается описать свойства вещества с плотностью, почти на 80 порядков превосходящей ядерную!

Биография А. Линде предельно проста. Родился в 1948 году. В 1972-м окончил физфак МГУ. С 1985-го — сотрудник отдела теоретической физики (руководит им академик В. Гинзбург) Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР (ФИАН), где работает и сейчас В 1978-м вместе со своим бывшим научным руководителем Д. Кпржницем за цикл работ награжден премией имени М. В. Ломоносова АН СССР. В 1983-м защитил докторскую диссертацию на тему «Фазовые переходы в теории элементарных частиц и космология».

Андрей из семьи ученых: отец — известный радиотехник, профессор; мать доктор наук, крупный специалист по космическим лучам.

И семья у А. Линде получилась чисто научной. УКена тоже доктор наук, тоже физик-теоретик, специалист по квантовой гравитации.

Биография А. Линде коротка, совсем несоизмерима ни с предметом его занятий — вся Вселенная, да еще и расширяющаяся! — ни с тем, что сулят его раооты науке.

— В космологии, — рассказывал А. Линде при нашей встрече, — существует много вопросов, ответить на которые прежде даже не пытались. Почему, к примеру, во Вселенной есть вещество и отсутствует антивещество?

Почему Вселенная в больших масштабах очень однородна и изотропна? Подобные вопросы долгое время казались почти метафизическими. И ответ на них обычно базировался на так называемом антропном принципе. Говорилось, что в анизотропной и неоднородной Вселенной, не содержащей избытка вещества над антивеществом, не могла бы возникнуть жизнь, и никто не мог бы задавать подобные вопросы. Такой ответ довольно остроумен, но не вполне удовлетворителен. И объяснить многое из этой кажущейся метафизики смогла только теория элементарных частиц…

В 1922 году советский ученый, ленинградец А. Фридман (1888–1925) предложил модель нестационарной Вселенной. (К сожалению, А. Фридман умер, так и не узнав о научной революции, вызванной двумя его короткими статьями, не узнал он и о том, что его модель была подтверждена наблюдениями американского астронома Э. Хаббла в 1929 году, не узнал он и о присуждении ему посмертно премии имени В. И. Ленина, 1931 год.)

Фридмановская модель «расширяющейся Вселенной» объяснила многое, но она ничего не говорила о периоде очень-очень ранней Вселенной, о том, что происходило сразу же после Большого Взрыва. Этот пробел восполнен новым сценарием (наиболее полно он изложен в докторской диссертации А. Линде) «раздувающейся Вселенной», тому отрезку в жизни Вселенной, который предшествовал фридмановскому.

У А. Фридмана темп расширения Вселенной постепенно замедляется. У Линде радиус Вселенной, начиная от минимального, быстро нарастает («раздувается», как растущий пузырь) по экспоненциальному закону, что напоминает неудержимый рост цен с постоянной годичной скоростью инфляции. Отсюда и другое название для этого периода развития — «инфляционная Вселенная».

Конечно, инфляция не может продолжаться бесконечно долго: все длилось кратчайшие доли секунды, но в них уложились события огромного для Вселенной значения. Вот точные данные, которые не могут не казаться совершенно фантастическими. За время 10-30 секунды из точечной области размером меньше 10-33 сантиметра (!) возникли просторы протяженностью в 10 миллиардов световых лет (10^28 сантиметров)!! И все вещество, содержащееся внутри наблюдаемой части нашей Вселенной (10^45 тонн), возникло из крохи, имеющей не более чем 10-5 грамма вещества!!! Противоречия с законом сохранения энергии? Их нет. Все явилось результатом огромной работы, которую совершили гравитационные силы во время раздувания Вселенной.

После завершения этого процесса Вселенная разбилась на большое количество областей. В каждой из них свойства элементарных частиц и законы их взаимодействия друг с другом различны (наш счастливый жребий!). Этих областей мы не видим, так как размеры каждой (в том числе и той, где мы живем) во много раз превышают размеры наблюдаемой нами части Вселенной…

Наша беседа с А. Линде продолжается. То, о чем рассказывает Андрей, очень непросто, и я тут вовсе не пытаюсь притворяться шибко понимающим. Я возбужден не только тем, что воочию вижу, как на листе бумаги под быстрым карандашом А. Линде извивается и трепещет «траектория» эволюционирующей во времени Вселенной. Не только тем, что нити микромира и макромира оказались завязанными в одном хитро запутанном клубке. Больше всего, пожалуй, меня будоражит сидящий против меня за столом Андрей: он сам представляется мне огромной нерешенной загадкой.

Я думаю о необычности его профессии — профессии физика-теоретика, — об исследователях, поневоле вынужденных работать в одиночку («мы одиночки», несколько раз повторял он) годами — среди библиотечных полок, с редкими вылазками на семинары, где можно выслушать приговор коллег, — вынашивающих свои мысли («Месяц читаю одни детективы, — признался Андрей, — у меня сейчас творческий тупик»). Думаю и о том, как же ему все-таки удается (какие тут особые приемы, подходы, правила научной «игры») держать Вселенную на кончике пера.

Я соприкоснулся с большой (и профессиональной и личной) тайной, и это взволновало меня. Как вообще может крошка человек, плывущий в головокружительных просторах космоса на небольшом суденышке — Земле, вращающейся вокруг одной из миллиардов звезд, как может человек, заключенный в этой мельчайшей частичке Вселенной, изучать всю ее остальную бескрайнюю часть?

Догадываться о ее прошлом и будущем? И не просто догадываться, но творить твердое знание? И даже замахиваться — сколько научной смелости тут требуется! — на то, чтобы в конце концов объяснить, откуда же берутся эти вселенные?

Нечто по имени Ничто

В нашей беседе с А. Линде очень часто и так ж эдак мелькало, уходило и возвращалось все вновь и вновь одно и то же слово. Как жужжащий шмель, оно то влетало, то вылетало из нашего разговора. Как необходимая приправа, без которой пища не пища, оно имело самое непосредственное отношение к теме, слово это было — вакуум.

Пустоту, мы помним, в науку ввел Демокрит. Его атомы разделены пустотой. И нож, по мнению Демокрита, режет хлеб только потому, что идет через пустое пространство.

Умозрительные (чисто философские) рассуждения Демокрита постепенно обрастали подробностями. Аристотель отрицал пустоту, но она тревожила его воображение, пройти мимо этого понятия крупнейший энциклопедист древности никак не мог. Он писал: «Надо признать, что дело физика — рассмотреть вопрос о пустоте, существует она или пет и в каком виде существует или что она такое…»

За признание пустоты в физике (о, эта интуиция великих умов!) боролся французский философ и математик Р. Декарт (1596–1650). Вот его слова: «Все пространства, которые обычно считают пустыми и в которых не чувствуется ничего, кроме воздуха, на самом деле так же наполнены, и притом той же самой материей, как и те пространства, где мы чувствуем другие тела…»

Этот перечень цитат, где прозревается грядущее научное и практическое значение вакуума, можно было бы легко продолжить, сославшись на Б. Паскаля, И. Ньютона, Д. Менделеева и других ученых.

Да, предсказывая вакууму большое будущее, корифеи науки не заблуждались: вакуум становится сейчас непосредственным объектом многих исследований физиков во всех концах мира. (Не теряют времени и популяризаторы науки: в нашей стране уже появилась книжка с названием «Нечто по имени Ничто». Правда, смысл этого заголовка — но таков уж вакуум! — мало изменится, если поменять местами слова Нечто и Ничто.)

Отчего же это Ничто, это вроде бы полное отсутствие чего бы то ни было, стало таким наполненным и полновесным? Да потому, что вакуум (чаще для солидности теперь говорят о «физическом вакууме») предстал перед учеными отнюдь не пустым.

А. Линде: «Вакуум — это то, что лишь выглядит как пустота. Под микроскопом, если выражаться фигурально, он буквально кипит, выбрызгивая элементарные частицы…»

Действительно, физический вакуум заполнен частицами особого рода, исчезающими сразу же после своего рождения. Одновременно существующими и нет, воистину эфемерными.

Такие почти-частицы в физике носят название виртуальных. Их вроде бы невозможно зафиксировать. Но — опять парадокс! — эти призраки микромира, почти фантомы, тем не менее могут взаимодействовать с частицами реальными, настоящими, влиять на их поведение.

Вот оно, «окошко» в вакуум, в это загадочное и, казалось бы, неуловимое Нечто.

В последние годы очень много внимания вакууму уделяет паш ведущий космолог академик Я. Зельдович. Совсем недавно торжественно отмечался его 70-летний юбилей (родился в 1914 году). Однако этот ученый (трижды Герой Социалистического Труда) полон неиссякаемой творческой энергии и в силе и быстроте мышления не уступает молодым физикам-теоретикам. (Считается, что карьера физика-теоретика, как и звезды балета — хотя для балерины, может быть, мускулы ног важней нейронов головы! — заканчивается к 30 годам: он-де «сжигает» свои лучшие мозговые клетки. Я. Зельдович своим примером опровергает это, конечно же, вздорное мнение.)

Я. Зельдович много пишет о вакууме, и тон его выступлений становится все более уверенным. Вначале он только ставил вопросы (одна из его статей в журнале «Успехи физических паук» называлась «Теория вакуума, быть может, решает загадку космологии», 1981 год), но теперь уже почти не сомневается, что в вакуумном океане рождаются ке только элементарные частицы — эти крохотные островки среди бушующих стихий, — но и целыа материки вселенные.

Что же все-таки было в момент команды «старт»?

Я. Зельдович верит: развитие теории квантовой гравитации приведет к возможности квантового флуктуационного рождения Вселенной, ее создания из вакуума. «Вещество Вселенной родилось из ничего, — повторяет он и тут же спешит добавить: — И это не противоречит физическим законам».

…Вселенная тогда клокотала, как кипящий чайник

Мы продолжаем разговор о Вакууме (это слово, как и слово Вселенная, давно уже следует писать с большой буквы), Вакууме, который не следует путать с пустотой.

Д. Киржниц (родился в 1926 году), физик-теоретик, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий сектором теории сверхпроводимости в ФИАНе, после окончания физфака МГУ в 1949-м несколько лет работал в промышленности. На заводе, когда Д. Киржниц определялся на работу, расспросив молодого человека и узнав, что он занимался поляризацией вакуума, в отделе кадров рассудили просто: решили дать ему в руки кисточку и определить к вакуумным приборам замазывать трещинки…

В судьбе теоретика всякое бывает! Но именно Д. Киржниц первым высказал оригинальную мысль о том, что физический вакуум может проявлять свойства сверхпроводимости. Вместе с А. Линде (1972) он показал, что система уравнений, описывающих сверхпроводимость в металле, практически неотличима от системы уравнений, характеризующих вакуум. Что при определенных обстоятельствах вакуум может резко изменять свои свойства, испытывать фазовые переходы. За это позднее исследователи и были удостоены Ломоносовской премии.

Сверхпроводимость, это необычное свойство проводника вовсе не оказывать сопротивления электрическому току, — явление уникальное. Однако вакуум тут выказывает еще более поразительные качества: он, оказывается, изолятор для токов электромагнитных и сверхпроводник для токов слабого взаимодействия. Так сказать, един в двух лицах!

Сверхпроводимость характеризуется критической температурой. Выше этой точки сверхпроводимость исчезает, внутреннее состояние проводника перестает быть упорядоченным (в вакууме, как оказалось, виртуальные частицы тоже отнюдь не находятся в состоянии хаоса). Так вот, для металлов критическая температура не превышает что-то около 25 градусов выше абсолютного нуля (шкала Кельвина). А в вакууме — он и тут ставит рекорд критическая температура, как показали расчеты, равна 10^16 градусов!

Где же найти подобные чудовищные и даже еще более высокие температуры? Где? Их имела Вселенная сразу же после «первовзрыва», когда физический вакуум не был сверхпроводником, а обладал совсем другими свойствами. И это обстоятельство проливает свет не только на ход формирования Вселенной, но и на историю элементарных частиц. Попробуем это объяснить.

Результат деятельности трех из четырех основных сил природы — сильных, слабых и электромагнитных — можно наблюдать совокупно в любом акте радиоактивного распада атомов.

Tут сильное (ядерное) взаимодействие обусловливает «слипание» протонов и нейтронов, покидающих разваливающийся атом в виде ядер атомов гелия а-частиц.

Слабое взаимодействие побуждает нейтрон ядра к распаду: так возникают электроны — р-частицы. А электромагнетизм проявляет себя в испускании квантов света — у-лучей.

Прежде все эти фундаментальные силы казались ученым совершенно независимыми. Однако теперь теория «Великого объединения» сделала эти различия иллюзорными, мнимыми. В момент Большого Взрыва, при сверхвысоких температурах, различия сил не существовало, их разделение произошло позже.

К моменту времени 10-35 секунды после Большого Взрыва вследствие расширения температура вещества понизилась до 10^16 градусов. И вот тут произошло первое разделение сил: сильные взаимодействия отделились от электрослабых. Что и привело к выделению отдельно кварков и лептонов.

Это был скачок в эволюции Вселенной, сопровождавшийся фазовым переходом. Высвободившаяся при этом из вакуума гигантская энергия (перекачка энергии из вакуума в вещество) перешла в кинетическую энергию пузырьков повой фазы, подобно тому как это происходит при бурном вскипании сильно перегретой жидкости.

Вселенная тогда буквально клокотала, как кипящий на плите чайник!

И этот фазовый переход не был в истории Вселенной единственным. Позднее, ко времени 10-10 секунды после «пуска», произошел новый фазовый переход: здесь уже электрослабое взаимодействие «раскололось» на слабые ядерные силы и силы электромагнитные. В результате все окружающие нас частицы, кроме фотонов и нейтрино, приобрели собственную массу…

Так творился наш мир.

Работы советских физиков-теоретиков открыли совершенно новую страницу в изучении Вселенной. Стали понятны причины и истоки гармонии Вселешюп. Никакой господь-бог не подгонял, не шлифовал, не прилаживал мировые константы. Они так топко согласованы, увязаны друг с другом потому, что имеют общие корни и совместную историю. «Расслоение» сил, формирование спектраэлементарных частиц, возникновение химических элементов — все это жестко и в то же время непринужденно запрограммировано в длительной эволюции Вселешк/й.

Содержание двух последних глав свидетельствует, что существует глубокая взаимосвязь между современной космологией и астрофизикой и новейшей фшпкой элементарных частиц. Космология и астрофп мша устанавливают определенные ограничения на число и свойства элементарных частиц, а экспериментально подтвержденные положения физики элементарных частиц позволяют находить новые пути для решения космологических проблем, связанных прежде всего с происхождением вещества во Вселенной.

Вообще чем дальше развивается естествознание, том все более очевидным становится зыбкость и условность границ (не тут ли главный порок сверхспециализации?) отдельных научных разделов. Космос соединяется с микромиром, Вселенная кипит, словно чайник, — эти и им подобные примеры наглядно иллюстрируют единство наук.

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 кое-кто 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 помышлял.

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. Наука 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 признанием. 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 частиц.

Затем два года поиски этих частиц шли безуспешно.

Пришельцы из космоса больше не появлялись. И только после того, как камеру подняли высоко в горы, где интенсивность космических лучей заведомо больше, новые частицы стали регистрировать уже почти ежедневно.

Так (позже перешли к исследованиям на ускорителях) были открыты элементарные частицы нового класса — нейтральный лямбда (Л) — гиперон, К-мезоны, антисигма-минус-гиперон (2~) и другие.

Семейка эта надолго приковала внимание исследователей своими необычными свойствами. Прежде всего подозрительным было время их жизни — 10-10 секунды.

Неспециалист, узнав про этот факт, может подумать: «Да, действительно, я не могу представить себе, каким образом какой-либо объект может разваливаться так быстро».

Однако загадка была совсем в другом. Не в том, что новые частицы распадались так быстро, а, наоборот, почему это они живут в миллионы миллионов раз больше, чем известные до того частицы той же «весовой категории» (близкие по массе и свойствам).

Для физиков это было так же неожиданно, как если бы они встретили на улице человека, прожившего 100 тысяч лет, или, скажем, слона с крылышками и на курьих ножках.

Другое интригующее свойство новых частиц заключалось в том, что они появлялись только парами (иногда, правда, и в большем количестве). Но никогда не наблюдались поодиночке или в паре с нормальными частицами.

Чувствовалось: эти «новенькие» обладали каким-то особым, дотоле неведомым, свойством. Действовал какой-то новый закон сохранения.

Из обычных коровы и льва (вспомним манипуляции физика в прошлой главке) можно смастерить двуногого льва и шестиногую корову, но никак нельзя их обоих сделать двуногими или двуглавыми — не позволяет закон «сохранения частей тела».

Вот и у новых частиц было нечто — обозначим это «нечто» буквой S, — что обязано было сохраняться.

Рассуждения тут таковы. У исходных обычных частиц S = 0, а у родившейся в результате ядерных метаморфоз пары необычных частиц значения S уже отличаются от нуля: они равны по абсолютной величине, но отличаются знаками. Скажем, у одной частицы S = +1, у другой S = -1, давая в сумме (закон сохранения частей тела!) тот же ноль.

Так к труднопонимаемым терминам — барионный заряд, спины и т. д. добавился еще один. И человек, сформулировав закон сохранения вот этой странности, сделал еще один шаг в область, куда обыденному, привычному, вход настрого запрещен.

С легкой руки М. Гелл-Мана новое свойство элементарных частиц стали называть «странностью» (Strange, здесь и истоки обозначения S). Так слово «странность» перестало обозначать только удивление парадоксами микромира, превратившись в узаконенное физическое понятие. Странность как бы материализовалась!

Открытие это, естественно, нашло отражение и в концепции кварков. Один из знаменитой тройки — А-кварк — пришлось наделить еще и странностью (два других кварка, р и п, физики считают не странными). Поэтому, к примеру, положительно заряженный К-мезон (частица странная) должна состоять из р-кварка и А-антикварка — носителя странности.

И еще одно обстоятельство делает странность поистине странной. Быстро выяснилось, что в отличие от других строгих законов сохранения странность иногда сохраняется, иногда нет.

При сильных (ядерные силы) или электромагнитных взаимодействиях суммарная странность всегда сохраняется. Однако процессы со слабым взаимодействием идут (сюрприз для физиков) с нарушением странности.

Было о чем задуматься ученым мудрецам!

…И посрамил черта

В мифах древних греков говорится о кентавре — получеловеке-полулошади. Таким же кентавром среди элементарных частиц выглядит и кварк. А ведь кварки, как надеялись физики, должны были представлять собой самые простейшие частицы!

Кентавр человеку кажется лошадью, а лошади, должно быть, — человеком. На самом деле он похож (хоть его никто и не видел) и на лошадь, и на человека. Но в любом случае можно сказать, каков он. Эта определенность, как мы убедимся далее, отличает человеческие фантазии от фантазий природы.

Писатели, поэты, просто мечтатели не раз пытались в своих грезах выйти за пределы немного, создать образы немыслимого И на первый взгляд им это удавалось. Вот образчики.

Перо англичанина Д. Биссета сотворило крококота.

(В повести «Забытый день рождения» писатель пишет: «Одна половина у мистера Крококота была котом, другая — крокодилом. Он был единственным в своем роде крококотом и жил очень уединенно в небольшой пещере посредине Африки и ни с кем никогда не виделся».) Это существо, которому славно жить, ибо ему всегда есть кому сказать «спокойной ночи»…

Другой пример — нагромождение несуразиц французского поэта-символиста Ж. Кокто в произведении «Моя неверная подруга»: «…Оставляешь лицо, хоть ты и закрыла его на ключ, как комнату, и здесь от тебя ничего не осталось, лишь кудрявый череп твой. Поцелую тебя, обниму колени, но ты воспаришь, покинешь себя, как привидение поднимается над крышей».

Сколько ни напрягали свое воображение служители муз, на наш взгляд, цели они не достигли. Созданное ими напоминает старое бабушкино одеяло, сметанное из множества пестрых, уже знакомых ее внукам лоскутков.

В этих писательских «кентаврах» сгруппированы, скомбинированы фрагменты легко узнаваемые, встречаемые нами в повседневности в той или иной мере на каждом шагу. Нового качества не получилось! Но то, что было не под силу человеку, с тем шутя справилась непревзойденная выдумщица — природа.

Электрон шарику представляется волной, волне — шариком. Однако на деле он и не волна, и не частица: он электрон! Микросущество, только кажущееся простым.

Электрон, как доказывает физика, представляет собой логический абсурд. Его парадоксы вскрыты квантовой механикой.

Законы квантовой механики необычны. Самый, пожалуй, наглядный пример это исчезновение в микромире понятия «траектория».

Бегущий мимо нас кентавр удивил бы нас, но мы могли бы точно (следы!) указать путь, которым он следовал. С электроном это принципиально сделать нельзя.

По И. Ньютону (классические представления), мир похож на четко вычерченную сеть железных дорог: по ним строго по расписанию мчатся поезда-частицы.

В квантовой же механике эта картина размазывается, расплывается, словно мы рассматриваем ее в плохо сфокусированный бинокль. И частицу теперь можно обнаружить в любой точке любой траектории, соединяющей начало и конец ее пути. Будто бы частица движется сразу по всем траекториям!

Тут человек, будь он электроном, мог бы войти в зал одновременно через две двери и столкнуться лбом с самим собой!

Старые взгляды рушились. Молодежь шутила:. «Даже сама природа не знает пути, по которому полетит электрон…» «Что ж, по четным дням недели будем пользоваться уравнениями Ньютона, а по нечетным — доказывать, что эти уравнения не верны…»

Старшее же поколение физиков восприняло новации трагически. Нидерландский физик X. Лоренц (1853–1928), создатель электронной теории, автор классической монографии «Теория электронов» (1909 год) («В вачале нашего столетия физики-теоретики всего мира с полным правом смотрели на X. Лоренца как на своего наставника», — писали о нем в 1953 году), в 1924 году с горечью писал: «Где же истина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения? Способны ли мы ьообще узнать истину и имеет ли смысл заниматься наукой? Я потерял уверенность, что моя научная работа вела к объективной истине, и я не знаю, зачем жил; жалею только, что не умер пять лет назад, когда все мне еще представлялось ясным».

Да, ломка представлений была капитальной. В старой физике скорости и координаты было достаточно, чтобы полностью определить движение макроскопического тела, летящего камня, например. А вот пути электрона или другой какой-нибудь микрочастицы воистину оказывались неисповедимы! Ибо согласно формулам квантовой механики можно указать (и вычислить) только вероятности тою, что электрон находится в той или иной точке пространства. (А значит, необходима информация о бесконечном числе величин, а не только о координате и скорости.)

Но раз так, то получается, что электрон всюду и нигде! И вот это представить себе уже довольно трудно.

А может, трудность это мнимая? И надо просто предоставить вещам быть такими, каковы они есть?

Обсуждая однажды парадоксы квантовой механики, член-корреспондент АН СССР физик-теоретик Е. Фейнберг напомнил одну английскую шутку, как черт поймал трех путников и согласился отпустить их, только если они зададут ему невыполнимую задачу. Один путник — жадина — наивно попросил сделать растущее дерево золотым, другой — рационалист — заставить реку течь обратно.

Черт шутя справился с этим и забрал обе души. Но третий путник свистнул, сказав: «Пришей к этому пуговицу»! — и посрамил черта.

Как нельзя пришить пуговицу к звуку свиста, так безнадежно и представлять себе траекторию электрона, коль он к тому же еще и волна!

Играет ли бог в кости?

Известен призыв (принадлежит Н. Бору) создавать теории «как можно более безумные». Считается, что только на этом пути удастся осмыслить диковины, которые ученые находят во вновь открываемых ими «странах» природы. Однако на дело не о «безумных» идеях скорее идет тут речь, а о том, чтобы по возможности освободить себя от всех биологических и психологических пут и тенет, столь мешающих нам осваивать новое знание.

Трудность та, что приходится ломать привычные нам (понятие траектории электрона!) представления о пространстве, времени и материи, и это вызывает в нас какой-то внутренний протест и сопротивление.

Кварки и другие чудища микромира настойчиво внушают нам: при входе в микромир надо непременно сбросить «галоши» антропоморфизма, сиять «очки» так называемого здравого смысла и сдернуть «плащ» шелухи человеческих мерок и привычек. Все это дается человеку с большим трудом, шокирует, травмирует… В самом деле, человек, словно змея, должен менять, непрерывно сбрасывать «кожу» своих представлений.

Ну, заметит читатель, то, что трудно нам, должно быть, легко дается ученым? Они-то, видно, словно рыба в воде, прекрасно чувствуют себя в электронных и прочих волнах квантовой механики? Увы, это не совсем так.

Вот что пишет Р. Фейнман: «Было время, когда газеты писали, что теорию относительности понимают только двенадцать человек. Мне лично не верится, что это правда. Возможно, было время, когда ее понимал всего один человек (имеется в виду ее автор. — Ю. Ч.), так как только он разобрался в том, что происходит, и не написал еще об этом статьи. После же того как ученые прочли эту статью, многие так или иначе поняли теорию относительности, и, я думаю, их было больше двенадцати.

Но, мне кажется, я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает…»

Преувеличение? Желание поразить читателя? Нет, ведь даже А. Эйнштейн также не понимал квантовой механики. Он никак не мог согласиться со статистическим характером микроявлений. «Господь-бог не может играть с миром в кости», — упрямо настаивал он.

Ученый был непоколебимо уверен в рациональном устройстве мира. Его вдохновляли порядок и логика, якобы царящие в нем. Хаоса в природе он не признавал.

Однако с появлением квантовой механики все эти дорогие его сердцу принципы были поставлены под сомнение.

Часть ученых пришла к выводу, что в микромире нет того образцового порядка, который мы привыкли встречать в макромире. Что здесь всем правит Его Величество Случай.

«Заблуждение, — возражал на это А. Эйнштейн, — вероятности необходимы только для того, чтобы прикрыть наше невежество… законы природы причинны. Бог не играет в кости…»

В октябре 1927 года в Брюсселе собрался V Сольвеевский конгресс. Съехались самые видные физики планеты.

Прибыл и автор теории относительности, и творцы только что родившейся квантовой механики ждали, что он благословит новые идеи. Вышло же все по-иному.

В первый же день за завтраком в гостинице, еще до начала официальной работы конгресса, он предложил своим коллегам некий воображаемый эксперимент (обычный прием теоретиков), который, по его мнению, показывал противоречивость квантовой механики.

«Это был трагический момент, — вспоминал позднее Н. Бор. — Ведь если бы Эйнштейн оказался прав, то все рухнуло бы!..»

Весь день на заседаниях, в перерывах, даже во время обеда физики обсуждали эйнштейновский эксперимент.

«К вечеру Бор в основном закончил анализ, — пишет другой очевидец этих событий, В. Гейзенберг, — и за ужином изложил его Эйнштейну. Откровенно говоря, Эйнштейн не мог что-либо возразить против этого анализа».

Еще много раз пытался великий ученый опровергнуть основные постулаты новой науки, однако квантовая механика устояла.

В 1949 году, вскоре после своего семидесятилетия, А. Эйнштейн с горечью писал своему старинному другу М. Соловину: «Вы думаете, что я с чувством полного удовлетворения смотрю на дело всей своей жизни. Вблизи же все выглядит иначе. Нет ни одного понятия, относительно которого я был бы уверен, что оно останется незыблемым.

Я даже не уверен, что нахожусь на правильном пути вообще. Современники же видят во мне еретика и реакционера, который, так сказать, пережил самого себя».

Так до конца своих дней он и не примирился с квантовой механикой, по-прежнему считая ее вопросом научной моды и даже недомыслием ее адептов.

Кварки становятся цветными

Какого цвета элементарные частицы?.. Этот вопрос задавал многим физикам Г. Копылов, автор интересной книги про микромир («Всего лишь кинематика»).

Ответы были разными. При этом многие сошлись па мнении, что протон наверняка черный, если не красный.

Но показательно: высказывались только физики-теоретики, физики-экспериментаторы же, как правило, отмалчивались.

Получился, пишет Г. Копылов, хороший тест, позволяющий отличить потенциального теоретика от экспериментатора. Если вы, студент-физик, не чувствуете цвета частиц — не идите в теоретики!..

Когда впервые прозвучало слово «кварки», их было всего три. Известно было, что из этих элементов вроде бы можно построить любой адрон. Можно! Но только вот…

Оказывается, размещать кварки внутри частиц произвольно нельзя. Для них, как для зрителей в театре, должны быть отведены вполне определенные, строго пронумерованные квантовые «места».

Негоже двух (тем более нескольких) зрителей сажать в одно и то же кресло. Но именно это, казалось бы, делали теоретики с кварками. Внутри некоторых частиц билеты с одним и тем же номером получали сразу два, а иногда и три кварка.

Например, омега-минус-гиперон должен состоять из трех одинаковых странных кварков, причем одинаковыми у них должны быть и направления спинов. (Когда физики вводили понятие «спин», то предполагалось, что частицу, скажем, электрон, можно рассматривать как «вращающийся волчок», и его спин — от английского spin — вращаться, вертеться — и есть характеристика такого вращения.)

Все кварки — частицы с полуцелым спином: значит, выражаясь языком квантовой механики, они являются фермионами. Но фермионы (к ним относятся и электроны) не имеют права (действует так называемый принцип запрета Паули, ответственный, в частности, за живописное разнообразие электронных оболочек в атомах различных химических элементов) «быть вместе», находиться в одинаковом состоянии.

Тупик? Катастрофа для концепции кварков? Но противоречить канонам и прописям могущественной квантовой механики, которая до этого праздновала одну победу JA другой, было рискованно. Нет, что-то здесь было не так!

Первым выход из этого затруднительного положения указал (1905) академик Н. Боголюбов (в совместной со своими сотрудниками, Б. Струминскпм и А. Тавхолидзе, статье).

(Судьба Н. Боголюбова необычна. Известный советский математик Н. Крылов после беседы с четырнадцатилетним (1923 год) пареньком, окончившим сельскую семилетнюю школу, взял его к себе в ученики и до пределa загрузил работой. Не прошло и года, как ученик написал первую научную статью. Специальным решением Наркомпроса пятнадцатилетний подросток был зачислен в аспирантуру. А еще через два года юный математик стал сотрудником кафедры математической физики.)

Н. Боголюбов предположил, что вроде бы одинаковые кварки, составляющие тот или иной адрон, на самом деле не совсем подобны. Они различаются неким свойством, которое, за неимением готовых названий и в погоне за яркостью образа (а может быть, и не без юмора!), позднее нарекли «цветом».

Так кварки стали цветными. Существуют красные, зеленые, синие кварки. (Название цветов и сам термин «цвет», конечно же, не более чем наглядная и точная метафора, в которой нуждаются не только читатели научно-популярных книг и статей, но и сами ученые.)

Так введением еще одного загадочного качества кварков был восстановлен порядок в физическом «театре».

Его мудрая «дирекция» решила: кресел в зале вполне достаточно, просто надо понимать, что они различаются не только номерами, но и цветом: под одним и тем же номером значатся кресла трех цветов. Соответственно и билеты предлагалось покрасить в синий, красный и зеленый цвета. (Заметим, что до сих пор физики путаются, называя цвета: кое-кто толкует также о желтых, голубых кварках.)

Однако история с раскраской кварков на этом не закончилась. Сказавши «а», физикам надо было произнести и «б». Находясь в адроне, кварки должны взаимодействовать между собой: иначе непонятно, что их держит вместе. Но если есть взаимодействие, то должны быть (снова квантовая механика) и его кванты. В том же смысле, в каком фотон является переносчиком электромагнетизма, а пи-мезон (в первых теориях) переносчиком ядерных сил.

Поневоле пришлось допустить существование и особых переносчиков цвета глюонов (от слова glue — клей: глюоны «склеивают» кварки, не дают им разлететься).

Но в отличие от фотона глюоны — эти кванты цвета — сами должны быть цветными. Более того, глюон обязан нести уже не один, а сразу два цвета!

Например, чтобы «перекрасить» синий кварк в зеленый, глюон должен принести «антисиний» (!) цвет для компенсации старой окраски и новый цвет — зеленый.

(Такие бы средства да художникам! Чтобы без кистей и красок, а просто подумал: надо бы так-то и так-то изменить цвет на холсте — и готово!)

Так, разматываясь, кварковая «веревочка» стала еще и цветной. А кварки в адронах оказались окруженными облаком глюонов.

Сколько всего разных глюонов? Теория полагает, что ровно восемь: три цвета и три антицвета можно скомбинировать (это, если рассуждать простецки: теоретики же имеют дело со спинорами и другими деликатными вещами) девятью различными способами, но одна из комбинаций при этом оказывается бесцветной, и ее, как считают теоретики, надо запретить.

Ну а самое поразительное в этой странной истории то, что теория цветных кварков уже получила экспериментальное подтверждение. Конечно, никто цветного кварка не видел, но косвенные улики выдают «преступника» с головой.

Ну как тут не вспомнить строки О. Хайяма. Он писал:

Все, что видим мы, — видимость только одна,

Ибо тайная сущность вещей не видна.

Семантический салат

Древние греки и римляне оставили нам в наследство еще и древнегреческий с латынью. Эти ныне мертвые языки очень удобны, когда необходимо дать имя «новорожденному» той или иной науки.

Когда-то в основном так и поступали: брали один, два, а то и несколько корней забытых ныне миром слов и складывали из них новое. Однако постепенно слов стало не хватать. Прежний метод научного словопроизводства забастовал. И тогда кое-кто пошел на хитрость: стали заимствовать терминологию из лексикона смежных наук. Примеров тому немало.

Скажем, слово «плазма». Первыми (1845) его применили физиологи для описания бесцветной жидкой компоненты крови, лимфы, молока или мышц. Позже его включили и в слово «протоплазма». Хотя знатоки классических языков должны были бы протестовать: греческое слово plasma, лежащее в основе этих научных терминов, означало «вылепление», «оформление» и было вроде бы не совсем «к месту».

Позже слово «плазма» приглянулось физикам. И теперь мы имеем физику плазмы, плазмотрон, плазменные двигатели, плазменные ускорители, плазменные печи и т. д. Физики, по сути, отобрали это слово у биологов.

В связи с этим уместно вспомнить забавный эпизод.

На одной научной конференции, где собрались физики и биологи, первые то и дело говорили о плазме. Наконец, кто-то из биологов, сидящих в конце зала, не выдержал и жалобно спросил председателя, нельзя ли этому слову вернуть его прежний, биологический смысл. «Нет, — ответил председатель, — у физиков-атомников денег так много, что они навсегда откупили его…»

Но и заимствования не решили проблемы. Требовались все новые и новые слова. Объекты исследований — особенно в микромире — оказывались настолько сложными, что нужны были уже целые букеты слов.

Возьмем те же кварки. В описании их свойств участвуют такие слова, как «странность», «ароматы» (различные виды кварков часто называют еще и «ароматами»), названия трех цветов, слово «клей» (глюоны) и другие не менее заковыристые эпитеты. Получается настоящий семантический салат!

В чем недостатки подобной «свободы слова»? Их легко указать.

Прежде всего «этикетки» выбираются физиками довольно произвольно. К примеру, выбор цветов кварков и даже само понятие цвета — вещь довольно условная. При желании таинственное «нечто» можно было бы пометить не цветом, а, например, вкусом. И говорить о сладких, соленых и горьких кварках. Суть бы мало изменилась: ведь важно лишь то, что у кварков есть «что-то», некоторое свойство, могущее пребывать в трех модификациях.

А вот еще убытки от злоупотребления словами. Вслушайтесь в беседу химиков, биологов или математиков, и вы почувствуете, что не понимаете своего родного языка!

Иногда эти беседы может лучше понять иностранец. Конечно, он должен при этом быть химиком или биологом, да еще принадлежать к определенной научной школе.

Как бороться с этими издержками? И стоит ли?

Сказать трудно. Некоторые авторитеты настаивают: ученые должны пересмотреть свои труды, исключить из них специальную терминологию. Если ученый не в состоянии объяснить простым неученым лицам, что он делает, значит, он просто не знает, что творит. Если ученый ограждает себя барьером недоступности, это говорит лишь о том, что он недостаточно уверен в своих выводах…

Конечно, эти наскоки скорее всего слишком резки.

Как всегда, и в критике, и в научном словотворчестве лучше держаться золотой середины. Ну а точные критерии в этих делах зависят не только от ученых, но и от тех, кому наука адресована.

Один профессор высказался по этому поводу так: «Вы хотите разъяснения теории относительности? Какого разъяснения? На языке XVII века и, следовательно, в свете представлений времен Ньютона? Или с помощью современных технических терминов? Или опираясь на современную математическую символику? Все это будут попытки разъяснения, но насколько успешными они окажутся?»

Пока идут дебаты, физики («А Васька слушает да ест!») открывают вовсе новые элементарные частицы.

И вынуждены на свой страх и риск придумывать им имена.

До сих пор мы говорили только о трех кварках. Однако эстетические доводы еще лет 15 назад привели теоретиков к мысли, что должен существовать и кварк № 4.

Этот кварк должен был отличаться от предыдущих свойством, которое нарекли «очарованием». («Мы назвали наш кварк «очарованным», так как были восхищены и очарованы той симметрией, которую он внес в мир субъядерных частиц», — признался позднее один из авторов этого термина.)

И вновь теоретиков поддержали экспериментаторы.

В 1974 году был открыт новый адрон с временем жизни в тысячу раз продолжительнее, чем ожидалось. Этот факт можно был) объяснить только одним — в состав нового адрона входит кварк № 4 кварк, обладающий шармом.

Искусство потрясти аудиторию

В известном, теперь уже хрестоматийном рассказе «Подпоручик Киже» писатель Ю. Тынянов создал образ крайне замысловатый. Главный герой «присутствует, но фигуры не имеет».

Этот результат ошибки писаря, эта мнимая тень никогда не существовавшего человека дослужилась до звания генерала и даже была с почестями похоронена. Как все это напоминает кварки!

Сколько о них уже говорено, сколько бумаги исписано, чернил теоретиками пролито, искрошено мела! Уже два десятка лет упорно ищут кварки экспериментаторы.

Ненаблюдаемость кварков хоть кому покажется подозрительной. До сих пор обычно было не так: предсказывали теоретики такие-то частицы, и экспериментаторы их рано или поздно, но все же открывали. А вот с кварками это ну никак не получается!

А между тем число кварков все растет. В целой серии недавних экспериментов доказано (конечно же, косвенно) существование и пятого кварка. Обозначили его латинской буквой b: от английского слова beauty — красота (еще одна семантическая вольность).

Кроме того, есть подозрение (соображения, связанные с кварк-лептонной симметрией), что должен существовать и кварк Д^26. Ему уж и название заготовлено — «истинный», или кварк t (от thruth — истина). Но, конечно же, отыскать истину, как всегда, оказалось нелегко!

Кварки умножаются словно грибы после дождя — их число быстро растет. И в то же время они упрямо отказываются, так сказать, «воочию» предстать перед экспериментальными очами. Что бы все это значило?

В сборнике «Физики шутят» приведены юмористического толка сетования на тему, как заразить молодежь любовью к физике, как вызвать у нее восхищение достижениями этой науки, ее проблемами.

Действительно, трудная это задача. Неспортсмен, прочтя в газете про только что установленный новый мировой рекорд в плавании, вряд ли сильно заинтересуется этим сообщением. Чтобы проплыть 100 метров вольным стилем, прежде затрачивалось столько-то секунд, теперь на 2 секунды меньше: ну и что? Какая разница? (Этот штафирка от спорта просто не в состоянии в достаточной степени оценить труды спортсменов и тренеров и другие спортивные тонкости.) Вот так же и физику нелегко расшевелить аудиторию, состоящую из людей, с физикой слабо знакомых: ну, было три кварка, теперь — шесть, ну и что?

Да, согласимся, потрясти непосвященных какой-либо физической загадкой непростое дело. Беда в том, что мало кто заинтересуется ответом на вопрос, который он сам не задавал.

Но давайте, как теоретики, проведем такой мысленный эксперимент: объявим публично (краткая заметка в газете, аннотация в научно-популярном журнале): «НЕБЫВАЛОЕ, НЕСЛЫХАННОЕ. Открыта новая элементарная частица, ЧАСТИЦА-ПРИВИДЕНИЕ!»

Думается, что такое сообщение вызовет уже определенный интерес. С привидениями все мы с детства на «ты», они прочно вросли в мир наших представлений, тут все понятно любому. И то, что в чуждом и малопонятном для нас мире элементарных частиц обосновались наши давние знакомцы, — факт отрадный, частицы-призраки будут всеми приняты с симпатией.

Все это шутка только наполовину. Вспомним про кварки. Ведь они, возможно, и тут поставили своеобразный мировой рекорд. Что, если это действительно совершенно новый тип частиц: если не призраков, то невидимок? Что, если и в самом деле обнаружить отдельные кварки принципиально нельзя?..

Кварки вошли в физику подобно троянскому коню.

Вначале мало кто верил в их реальность. Все воспринималось лишь как красимая теоретическая схема, временные строительные леса на пути к более совершенным и более серьезным теориям. Ну, просто курьез, выверт, игра воображения теоретиков!

Однако не успели физики оглянуться, как кварки проникли всюду. И сейчас без них просто невозможно обойтись (так же, как, например, в химии нельзя уже обойтись без атомов и молекул). И в то же время «поймать» кварки никак не удается.

Вот и похоже на то, что кварки открыли в физике как бы новую страницу. Теперь некоторые частицы (из сословия элементарных), возможно, могут позволить себе роскошь отсутствовать в свободном виде, быть действительно частицами-призраками.

Квантовая шапка-невидимка

Вокруг кварков уже создана целая научная идеология, играющая ту же революционную роль в современной физике, какую квантовая механика играла в физике примерно полвека, а механика Ньютона — столетие назад. Возникла новая наука — квантовая хромодинамика. (Цветодинамика — так тоже можно ее назвать.) Понятие цвета в ней одно из важнейших.

Мы не собираемся — складываем перо в смирении! — излагать читателю тонкости этой науки: задача это непростая, да, кроме того, уже написаны и статьи и книги (и научные и популярные). А будем двигаться к более простой цели последуем за мыслью теоретиков, послушаем, как они трактуют ненаблюдаемость кварков. Но вначале вновь поговорим о цвете.

Есть забавная детская игрушка — вращающийся диск с тремя цветными кружочками — красным, синим и зеленым. При вращении кружочки сливаются в сплошную белую полоску, поскольку красный, зеленый и синий тона в смешении (еще И. Ньютон этим занимался!) дают белый.

Этот волчок и поможет в какой-то мере раскрыть секрет, отчего экспериментаторы не наблюдают цветных частиц, а видят их лишь белыми, хотя внутри адронов замурованы цветные кварки. Почему по не вполне понятным мотивам природа и мы вместе с ней обязаны быть дальтониками! Заметим, кстати, насколько завязли мы в месиве абстракций. Ведь, строго говоря, цвета кварков к обычным цветам и краскам никакого отношения не имеют! Но продолжаем.

По воззрениям теоретиков, часть адронов (барионы), состоящих из трех кварков, содержит каждый цвет по одному (один кварк красный, другой зеленый, третий — синий), поэтому в целом барион «выглядит» бесцветным.

В мезонах же и кварк и антикварк одного цвета. Однако (тонкая штучка!) цвет у мезона непрерывно меняется — треть своей жизни мезон красный, другую треть — зеленый, третью — синий. Так что и мезон в целом также оказывается бесцветным.

А почему мы не можем вытащить из адрона отдельный цветной кварк? Виноваты силы, действующие между кварками. И здесь природа проявила много выдумки.

Как показали хромодинамические расчеты, когда кварки находятся близко друг от друга, силы эти очень слабы, но они быстро увеличиваются, если мы попробуем кварки разъединить.

По закону Кулона (школьные знания), сила между двумя зарядами уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Подобному же закону подчиняется и сила тяготения. Так что при достаточном разведении друг от друга зарядов или масс этими силами можно пренебречь. А в квантовой хромодинамике все не так: сила не уменьшается с расстоянием, а остается постоянной.

Поэтому-то разделение кварков требует колоссальных энергетических затрат. Полагают, этой энергии было бы достаточно, чтобы поднять автора этих строк на 20 метров над поверхностью Земли!

Но, даже затратив этакую махину энергии, цели (уединенный кварк) мы все равно не добьемся. Задолго до того, как такой энергетический уровень будет достигнут, начнут действовать другие процессы. И энергия, вкладываемая на отделение кварка, материализуется в пару: кварк — антикварк. При этом новый кварк заменил бы тот, который мы пытались выудить, скажем, из протона, и восстановил бы протон в прежнем состоянии. А новый антикварк «прилип» бы к удаляемому кварку, образовав мезон. И в результате все будет выглядеть так, будто кварк так и остался на месте и как бы «из ничего» родился бесцветный (условия игры соблюдены!) мезон. (Все это похоже на то, как если бы мы попытались получить лист бумаги, имеющий только одну сторону! Или еще на то, что мы силимся оторвать от магнита один из его полюсов. Многие из нас еще в школе хотели сделать ото и убеждались в тщетности своих усилий: всякий раз получаются два магнита и оба с двумя полюсами.)

Вот она, шапка-невидимка для кварков! Похоже, эти частицы сидят в особом квантовом мешке и никак не могут оттуда выбраться.

Слово «мешок» (еще один образ) не произвол автора, а вполне рабочее понятие у тех, кто колдует с формулами квантовой хромодинамики в руках. (Говорят также еще о «вечном заключении», «инфракрасном рабстве»…)

Из-за математических трудностей точные расчеты физикам-теоретикам пока недоступны, но они не унывают: строят качественные модели удержания кварков в адронах, создают модели «мешков», или «кварковых мешков».

Физики, которые их разрабатывают, получили даже шутливое прозвище «мешочники».

Сейчас существует модель «дубненского мешка» (советские физики-теоретики из города Дубны были в этом деле первыми), «мешка Массачусетского технологического института» (США), хорошо известен «будапештский мешок». Есть, конечно, «мешочники» и в других странах…

* * *

Говорят, природа — открытая книга. Как бы не так!

Теперь мы знаем: некоторые страницы в ней как бы склеены (глюоны), так что прочесть их (кварки), возможно, никогда не удастся. Нет, содержание текста мы непременно узнаем, нельзя будет лишь самолично пробежать строчки глазами, оценив каллиграфическое (или типографское, если хотите!) мастерство природы.

Наука об элементарных частицах переживает пору своей юности. Никому не дано знать, что принесет она в будущем. Но, быть может, именно в этом главная притягательная сила, заставляющая нас быстро листать в книге природы страницу за страницей.

И, начав, человек уже не сможет оторваться от этого захватывающего чтения!

8

Слон в кастрюле

…а другой доказывал, что внутри земного шара имеется другой шар, значительно больше наружного. В сумасшедшем доме каждый мог говорить все, что взбредет ему в голову, словно в парламенте.

Ярослав Гашек. Похождения бравого солдата Швейка во время мировой войны

Существует старинная легенда о воинах, павших в сражениях минувших времен. Они пробуждаются к жизни, чтобы в ночной тишине продолжать нерешенную битву.

Так и идеи философии. Казалось бы, поверженные, перечеркнутые, списанные, давно сданные в архив, бьются они между собой, и борьба эта не утихает. Что есть мир?

Как он устроен? Какова его структура? Где у него начало, где конец?..

В конечном итоге ответы на многие вопросы должна дать физика. Начинаем рассказ о новейших находках ученых, указывающих для философов новые пути.

Игра в матрешки

Л. Эйлер, знаменитый математик (родился и учился в Швейцарии, но 31 год проработал в Петербургской академии наук, хорошо знал русский язык, что облегчало ему возможность бесед с М. Ломоносовым, которого Л. Эйлер очень ценил; прах Л. Эйлера находится в Ленинградском некрополе), в «Письме к немецкой принцессе» (племяннице Фридриха II), где он ясно и доступно изложил проблемы современного ему естествознания, в частности, писал: «Когда в собраниях разговаривают о филозофических материях, то по большей части о таких, кои повод дали к великим распрям между филозофами.

Делимость тел есть такая статья, и мнения ученых об оной суть между собой различны. Иные утверждают, что тела делиться могут бесконечно, так, что никогда нельзя дойти до столь малых частиц, которых бы далее делить невозможно. Другие, напротив того, утверждают, что сие деление простирается только до некоторого предела и что, наконец, должно дойти до столь малых частиц, что, не имея никакой величины, далее делимы быть не могут. Сии последние частицы, тела составляющие, называются монадами…»

В этих словах изложена проблема, над которой философы задумывались еще тысячи лет назад. Что будет, если дробить вещество все мельче и мельче?

Как мы уже говорили, Демокрит учил: все кончается атомами. Их нельзя дальше мельчить не только физически, но и математически.

Иную позицию занял Аристотель. По его мнению, субстанции должны допускать бесконечное, неограниченное деление.

Итак, два противоположных взгляда:

1. Иерархия форм материи безгранична.

2. Исследование этих форм заканчивается открытием первоматерии.

Рассуждения о делимости материи (Аристотель против Демокрита) в чем-то сродни известной игре с куклой-матрешкой. Многие авторы очень любят этот образ, часто им пользуются. Ведь матрешечный «атомизм» очень нагляден, понятен каждому и, что, может быть, главное, вроде бы неоспорим. Атомизм иного, нематрешечного рода, кажется, вообразить совершенно невозможно.

Итак, матрешка. Разнимаешь ее — внутри оказывается точное подобие, только поменьше ростом, а там еще более маленькая куколка…

Игра в матрешки — занятие крайне поучительное, но здесь, увы, всегда имеется последняя куколка. А в природе? Вот тут все уже не столь очевидно.

Для философа итог упражнений с матрешками не очень приятен. Конечный вывод горек и неутешителен: мир вроде бы оказывается непознаваемым.

В самом деле, свойства первоматерии (последняя из «матрешек») должны быть ей предписаны. По определению, бессмысленно обсуждать здесь вопросы «отчего и почему». Tут начинается область иррационального, божественного.

«Мне представляется, — писал И. Ньютон (в последние годы он, как известно, занимался богословием, но точный ум быстро привел его к противоречию с догматами церкви, известно, что перед смертью И. Ньютон отказался о; причастия), — что бог с самого начала сотворил вещество в виде твердых, непроницаемых, подвижных частиц и что этим частицам он придал такие размеры, и такую форму, и такие другие свойства, и создал их в таких относительных количествах, как ему нужно было для этой цели, для которой он их сотворил…»

Кроме того, конечность числа «матрешек» в природе ведет к исчерпанию всех свойств мира. Как же тогда быть с провозглашенной диалектическим материализмом бесконечностью процесса познания?

Но не приносит удовлетворения и бесконечная череда матрешек. Ведь с формально математической точки зрения здесь отношение объема познанного к объему еще не разведанного всегда будет равно нулю! Мир оказывается принципиально непознаваемым.

Таким образом, логика философии матрешек завела нас в тупик. Трудно вообразить, что материя делима снова и снова и так до бесконечности. Еще труднее свыкнуться с другой крайностью — делимость вещества на каком-то этапе с необходимостью должна прерваться.

Дальше в лес — больше дров

Пока философы спорили, физики работали — дробили материю на все более мелкие части. Вещество — на молекулы, молекулы — на атомы, атомы — на ядра и электроны, ядра — на протоны, нейтроны и другие элементарные частицы, которых набралось уже столько, что их стало даже трудно перечислить. Поэтому большую часть их собрали в груду и повесили на ней табличку: «Адроны».

И адроны стали дробить: сейчас физики усиленно пытаются разложить их на еще более элементарные кварки.

Правда, никто пока не может сказать, существуют ли кварки на самом деле, но ученым очень хочется, чтобы они существовали. И хотя ныне кварки единодушно признаются «истинными» кирпичиками, из которых сложено мироздание, но можно не сомневаться: если их когданибудь «поймают», то тут же попытаются разложить на…

Казалось бы, философия матрешек торжествует, веренице куколок не видно конца. Однако это лишь самое первое и, добавим, обманчивое впечатление. На деле же процесс дальнейшего «кваркования» движется со скрипом, буксует и вязнет. Природа вовсе не похожа на луковицу, составленную из однообразно повторяющихся оболочек.

Бесконечная шеренга выстроенных в ряд матрешек — эта картина соответствует тому, что немецкий философ Г. Гегель (1770–1831) некогда назвал «дурной бесконечностью»: тут в каждой следующей кукле содержится другая, отличающаяся от предыдущей лишь размерами.

Так вот, в природе этого нет. В ней «дурная бесконечность» словно бы подправлена, искажена.

Сходя вниз по ступенькам микромира, мы встречаемся с такой характерной ситуацией: в области, на два-три порядка (в 100-1000 раз) меньшей, перед нами раскрывается, как правило, новый мир физических объектов и новых, до сих пор неизвестных нам закономерностей. Да, по размерам вроде бы новая матрешка. Но приглядитесь внимательней: узор росписи, форма, цвета — все стало совсем иным!

В областях с размерами 10-5-10-7 сантиметра исследователи проникли в мир кристаллов, атомов — возникла кинетическая теория материи.

Затем, перешагнув еще один-два порядка, человек открыл для себя царство атомных явлений, управляемых квантовой теорией. (Мы помним: эта девица со странностями, капризами!)

На расстояниях 10-11 сантиметра ученых вновь подстерегает неожиданность: при этих энергиях стало возможным рождение светом электронно-позитронных пар, энергия на глазах превращалась в вещество! Эти явления уже описываются релятивистской квантовой теорией.

В пределах 10-12 сантиметра (характерный размер ядер) возникла физика атомного ядра А с расстояний 10-13-10-14 сантиметра началась физика адронов — раскрылся мир так называемых «странных частиц».

Сейчас физики подбираются к масштабам порядка 10-17 сантиметра. Тут должны показаться крепостные валы нового «государства» — Королевства Слабых Взаимодействий. Со своеобразными обычаями и порядками.

Сравнивать все эти метаморфозы материи, этот непрерывный переход количества в качество, эту цепь совершенно но похожих друг на друга областей со скучным строем матрешек уже довольно трудно. Но не в этом только дело. Оказывается, можно высказать и еще более глубокие антиматрешечные соображения.

Кит на воде, вода на ките

Строить большое из малого, тяжелое из легкого — вот правило, которым всегда руководствовались ученые и которое неизменно приносило успех. Этот взгляд на вещи подсказывает человеку здравый смысл, весь уже немалый опыт прошлого. Однако сейчас намечается глубокий кризис концепции слов «состоит из». Приведем простейший, видимо, пример.

Свободный нейтрон, мы помним. — частица нестабильная: вылетев из ядра, он распадается на протон, электрон и антинейтрино. Значит? Значит, как подсказывает логика, прогон входит составной частью в нейтрон.

Но, с другой стороны, при столкновении на ускорителях двух протонов появляется несколько элементарных частиц и среди них… нейтроны Значит? Что, неужели нейтрон является частью протона?..

Позвольте! Кто же из кого состоит? Кто больше, кто меньше? Где часть, где целое?.. Какая-то ядерная карусель получается!

Взаимная превращаемость микрочастиц, возможность рождения и уничтожения их — это все совершенно новые черты, отличающие современный атомизм от атомизма прошлого.

Все мы, будут в цирке, не раз наблюдали за жонглером.

Вот он бросает и ловит шарик. Сначала медленно, затем темп убыстряется. И наконец мелькание шарика воспринимается нами уже как целое облако летающих шариков.

Очень схожим образом, оказывается, ведут себя в ядре протоны и нейтроны. Например, довольно быстро испуская и поглощая обратно пи-мезоны, они создают вокруг себя мезонное облако.

При этом, «излучая» положительно заряженный пи-мезон, протон немедленно превращается в нейтрон. А нейтрон, в свою очередь, испустив отрицательный пи-мезон, становится протоном. Если же идет обмен нейтральными пи-мезонами, все остается прежним: протон — протоном, нейтрон — нейтроном.

Но это не последний цирковой трюк, который может демонстрировать природа. Гораздо более впечатляет другой ее номер.

В процессе взаимопревращений, идущих внутри частицы, в качестве ее составляющей может находиться точно такая же частица, как и она сама, или даже… несколько таких частиц!

В микромире можно наблюдать и такое: протон состоит из протона и пи-мезона, который почти не уступает ему в размерах. Пи-мезон, в свой черед, может состоять из трех таких же пи-мезонов…

Но ведь это противоречит всем нашим обычным представлениям! Это просто бессмыслица, абракадабра, дурной сон! Получается как в волшебной сказке: кит на воде, а вода на ките!

И все же это так. Привычные взгляды о простом и сложном, о целом и части в мире элементарных частиц оказываются совершенно непригодными. И прав был В. Гейзенберг, писавший: «Нашей задачей должно быть приспособление нашего мышления и нашего языка, то есть нашей научной философии, к новой ситуации, созданной данными эксперимента. К сожалению, эта задача чрезвычайно трудна. Неверно поставленные вопросы и неправильные наглядные представления автоматически просачиваются в физику частиц и уводят научные исследования в сторону от реальной природы…»

Целое больше части, а почему не наоборот? Ведь похоже, что в микромире все дозволено. Как и в сумасшедшем доме, в котором побывал бравый солдат Швейк и где он узнал, что внутри земного шара есть другой, значительно больший наружного.

Большое — это большое, малое — это малое, часть не может превосходить целое… Эти и им подобные «приличия» неуклонно соблюдались лишь на верхних ступеньках «лестницы», ведущей вниз, в подвалы материи.

В атомах мы четко отличали мелкую мозаику частей — электроны, ядра — от величественного целого.

И в атомном ядре, хотя тут уже и было довольно тесновато, понятия простого и сложного сохранялись. Ядра состояли из протоков и нейтронов. И размеры ядер были отчетливо больше размеров его частей. Тут все еще царил относительный порядок.

Однако в протоне и в других элементарных частицах «все смешалось». Здесь утверждение о том, что частица состоит из других частиц, носит уже весьма условный характер. Идея вульгарной механической делимости вещества становится тут неприменимой.

Кажется, что с «лестницей» нашей начинает происходить что-то странное. Ступеньки налезают друг на друга, громоздятся, дыбятся. Они кажутся сработанными на глазок, тяп-ляп, уложены как придется, на авось… Уже и не скажешь сразу: спускаемся ли мы или топчемся на месте.

Какие уж там матрешки!

«Демократы» против «аристократов»

В 1929 году в речи, произнесенной на юбилее словацкого ученого-теплотехника А. Стодолы, А. Эйнштейн произнес такие слова: «Если говорить честно… мы хотим не только знать, как устроена природа (и как происходят природные явления), но и по возможности достичь цели, может быть, утопической и дерзкой на вид, — узнать, почему природа является именно такой, а не другой. В этом ученые находят наивысшее удовлетворение. В этом состоит прометеевский элемент научного творчества».

Осуществить эту дерзкую мечту, имея дело с бесконечной (и конечной!) последовательностью матрешек, невозможно. Но что, если природа самозамкнута? Если все се свойства вытекают из самого бесконечного разнообразия ее частей? Что, если каждая элементарная частица состоит… из всех остальных? Чепуха? Ересь?

Кто знает! Не будем спешить с вынесением окончательного приговора. Лучше обратимся к авторитету опыта.

Вновь займемся сидящим в ядре протоном. Вокруг него, как утверждают ученые, имеется сложное ядерное поле сил. Квантами этого поля являются всякого рода мезоны: пи-, ка-, ро- и многие другие частицы — они возникают при искусственно вызванных на ускорителях соударениях частиц.

Поле ядерных сил можно (мы уже отмечали это) представить в виде облака мезонов, «плавающих» вокруг «сердцевины» протона. Эта мезонная «шуба» совершенно неотделима от понятия «протон». Так что протон или, скажем, нейтрон своим существованием обязан и многим другим «элементарным» частицам — на ускорителях отдельные «клочья» этой шубы удается сорвать. Так, словно по волшебству, возникают все новые и новые частицы.

И этот пример — протон и его «шуба» — вовсе не исключение, это правило, теперь уже даже азбука законов микромира.

Вот так, как гром среди ясного неба, с высоты современных достижений пауки, в противовес старым взглядам современная ядерная физика практикой своих экспериментов формулирует ошеломляющий, радикально новый подход к проблеме первоматерии: в микромире, возможно, ВСЕ состоит из ВСЕГО.

Вот и рухнула матрешечная философия. Принципиально неверно искать в микромире «последную» элементарную частицу. Ее нет. Любая частица может оказаться в этом смысле и первой и последней. И никакого «кризиса» философии, никакого тупика нет.

Безумнее, смелее этого взгляда на мир, кажется, трудно что-либо предложить. Конечно же, мысли эти могут быть детищем только новейшего времени…

Но что это? Чей-то слабый голос доносится к нам из тьмы времен. Слышится греческая речь… Это к нам обращается философ Анаксагор (происходил из знатного и богатого рода, не имея нужды гоняться за куском хлеба, с юных лет посвятил себя науке, видя в ней единственную цель жизни). Он утверждает (за эту и другие смелые мысли, противные религии и мистике, был обвштел в безбожии), что мир состоит из бесчисленного множества частиц (до Анаксагора считали, что все состоит из четырех первотел: земли, воды, воздуха и огня), названных им «семенами вещей», или гомеомериями.

Ну и что же? И Демокрит говорил нам об атомах.

Еще одна матрешка?

Вовсе нет. У Анаксагора каждая гомеомерия содержала в себе все элементы мира («Все во всем»! — учил он. «Если что-то можно назвать, скажем, золотом, то только потому, что золото в нем преобладает. Остальные ингридиенты мы просто не в состоянии различить».) Поэтому каждая частица, как бы мала она ни была, оказывалась бесконечно сложной. Поразительное прозрение!..

Новые представления физиков о мире, крайне неприятные для матрешечных рассуждений, получили название «ядерной демократии». Согласно этим воззрениям и те частицы, которые предстоит еще открыть, будут не более элементарными, чем уже открытые.

Механизм «взаимной поддержки», «самосогласованности» элементарных частиц, обусловливающий ядерную демократию, еще обозначают словом «бутстрап» (от английского «зашнуровка»: ведь все частицы оказываются как бы связанными единым «шнурком», как отверстия в ботинке). Бутстрап — очень сложное понятие, его еще не удалось сформулировать на строго математическом языке, унаследованном от предшествующих физических теорий.

Трудности понятны. Бутстрап — ошеломляюще новая концепция даже для «повидавших виды» в микромире физиков-теоретиков, этих великих к тому же выдумщиков. Даже они остановились в растерянности перед этим миром, где все зависит от всего, где нет малых параметров. А это значит, что исследователь тут должен отказаться от слов «несущественное», «малозначительное».

Но разве можно жить в мире, где буквально все важно и значительно? В мире, где нет пылинок, мелочей, второстепенного? Где все завязано в один общий тугой узел?

Да, неуютно тут человеку!

Понятия ядерной демократии, бутстрапа идут вразрез с доктриной кварков, с доктриной «кирпичиков» материи.

Кварки — аристократы. Тут есть спесь, большие претензии, взгляд свысока. Кварки по самому своему статусу — особо выделенные частицы. О демократии здесь говорить не приходится.

«Аристократы» или «демократы»? Что предпочла природа? Стопроцентный выбор между этими двумя крайностями пока сделать нельзя. Видимо, одна из основных программ будущих исследований на ускорителях — выяснение этой важной дилеммы.

Справедливости ради надо отметить, что не все физики разделяют «демократические» устремления. Кое-кто даже считает такую позицию капитуляцией. Они утверждают, что гипотеза «ядерной демократии» (выдвинута она была еще в 60-е годы) свидетельствовала об отчаянии теоретиков, которые, дескать, явно запутались, потерялись в адронных джунглях.

«Трудно представить, — продолжают сторонники «аристократизма», проповедники поиска «самых фундаментальных» объектов и относительно простых теорий, их описывающих, — даже в самых общих чертах то длиннейшее уравнение, которое собираются написать сторонники «ядерной демократии».

Горбушка тяжелее буханки

Многие века это считалось само собой разумеющимся: масса — это масса, а энергия — это уже совсем другое.

В физике понятия «масса» и «энергия» мирно жили бок о бок, часто встречались, но проходили мимо, словно бы не замечая друг друга.

Одной из святынь физики является закон сохранения энергии. То же можно было сказать (материя не может исчезать, проваливаться в никуда!) и про закон сохранения массы.

Это мирное житие массы и энергии было (1906) увенчано торжественной свадьбой. Организовал ее А. Эйнштейн. Он опубликовал статью, где показал, что энергия (Е) и масса покоящегося тела (m) связаны простым соотношением: Е = m × c^2, где c — скорость света в вакууме.

Так масса и энергия оказались повенчанными, вступили в вечный и нерасторжимый брак.

Соотношение Эйнштейна было воспринято ученым миром без всякого сопротивления. Совсем не так отнеслись к другим его идеям. Например, к идее о квантах света — фотонах.

Фотон вначале был «изобретен» А. Эйнштейном чисто теоретически (1905 год). Мысль о дискретной структуре излучения была столь дерзкой, что даже самый отчаянный из отчаянных — Н. Бор отказался ее признать. (Напомним, что квантовой механики, которую Н. Бор — в 1920 году на средства крупнейшего датского пивовара он основал в Копенгагене Институт теоретической физики, ставший Меккой для ученых многих стран, — и другие теоретики позднее создали, тогда еще не существовало.)

Резко критиковали идею световых порций-квантов и такие корифеи тогдашней физики, как М. Планк (он открыл в 1900 году квант действия, что стало «прелюдией» к возникновению квантовомеханических представлений) и X. Лоренц.

Тут уместно вспомнить такой эпизод. В 1911 году видные немецкие ученые рекомендовали избрать 34-летнего Л. Эйнштейна действительным членом Прусской академии наук. В характеристике-представлении ученых были такие слова: «…вряд ли имеется хоть одна из больших проблем, коими столь богата современная физика, в которую Эйнштейн не внес значительного вклада. И если кое-что в его спекуляциях могло пройти мимо цели, как, например, его гипотеза о световых квантах, то это не может быть поставлено ему в вину, ибо, выдвигая новые идеи, особенно в наиболее точных науках, невозможно не идти на некоторый риск».

Вот так-то! Лишь появление квантовой механики «реабилитировало» А. Эйнштейна. Но этой науке он сам позднее объявил непримиримую войну.

А в 1951 году ученый с грустью констатировал: «Все эти пятьдесят лет упорных размышлений не приблизили меня к ответу, что такое световые кванты. Конечно, сегодня каждый думает, что он знает ответ, но он обманывает себя».

Какая ирония научной судьбы!..

Фотон утвердился в физике с боями, но с законом Е = mс^2 никаких трудностей не было. Все ныне знают: при взрыве атомной бомбы масса преобразуется в энергию. Но особенно популярна идея антивещества.

Оно (антивещество) стало реальностью: в нашей стране на Серпуховском ускорителе был получен антигелий — не позитроны или какие-то другие микроантичастицы, а уже довольно сложный химический элемент.

Известно, что при соединении вещества с антивеществом масса переходит в энергию (процесс аннигиляции).

В научно-популярных статьях, научно-фантастических рассказах и романах уже неоднократно обсуждались эти факты науки. Возможно, и вправду в будущем антивещество удастся использовать в качестве концентрированного топлива в космосе. Но прежде, конечно, придется преодолеть многие трудности: хранение, транспортировка антивещества и т. д.

То, что масса может превращаться в энергию, известно широко. Меньше знают об обратном процессе: о создании массы из энергии.

Человек в день потребляет с пищей 2500 больших калорий энергии. Если бы он все эти калории пустил на создание всего лишь одного грамма вещества, ему пришлось бы ждать (и жить!) приблизительно 20 тысяч лет!

О том же по-другому: примерно 30 миллионов литров бензина пришлось бы сжечь, чтобы создать все тот же грамм вещества: так океан энергии превращается в ручеек массы! (А причина та, что фигурирующая в приведенной формуле скорость света — величина настолько грандиозная, что при обратном процессе даже из крох массы получаются моря энергии.)

Но есть область науки, где получение из энергии вещества — обычное, рядовое явление. Это ускорители.

Здесь фокусы с возникновением всевозможных частиц давно уже никого не удивляют. И здесь можно добиться даже более эффектных трюков. Скажем, встретить сидящего в кастрюле… слона! Нелепица?

Вспомним про «ядерную демократию». Там утверждалось: любая частица содержит в себе весь остальной мир, а значит, и элементарные частицы, более тяжелые, чем «материнская». И следовательно, эти тяжеловесы (слоны!) действительно должны сидеть внутри частицы-легковеса (в кастрюле!).

Простая логика, но уже не житейская, а научная.

А с наукой спорить — только время терять.

«Все так, — заметит Иван Иванович Иванов, этот эталон здравого смысла! — Но ведь все это звучит по меньшей мере дико. Это похоже на сообщение о том, что некто, гуляя в подмосковном лесу, встретил майского жука величиной с Ту-154. Или, если быть более точным, ваше, физик, утверждение равносильно такой информации: на энском заводе авиаконструкторы из трех самолетов, без потерь материала, сконструировали и собрали одного обыкновенного (не гигантского) майского жука!»

«Да, именно нечто подобное имеется в виду, — следует хладнокровный ответ физика, с тем только добавлением, что события эти происходят в микромире…»

В сказке Ш. Перро «Кот в сапогах» (помните?) великан превратился в мышку и тут же был съеден котом.

Если бы мы так же могли сократиться в размерах и превратились в Homo hadronicus — крохотные существа, которым по плечу сильные взаимодействия, — то, будьте уверены, повидали бы немало чудес.

Разрезая адронный хлеб адронным ножом, мы получали бы горбушки, которые были бы тяжелее самих буханок. И каждый откусанный от ломтя кусок был бы весомее этого ломтя.

И мы бы, как пошутил один физик, с удовлетворением наблюдали бы такое: как бокал вина адронеули или адрукузани, разлитый по бокалам всей честной компании, наполнил бы их до венчика.

И ничего особо чудесного не представлял бы для нас и великан джинн, квартирующий в бутылке. И вообще слова «полез в бутылку» перестали бы быть только фигуральными…

Дефект масс

Здравый смысл говорит нам: если мы разрежем яблоко пополам, то каждая половина будет точно в два раза меньше и легче целого плода. Сложим обе половины и снова получим яблоко. Но не может такого быть, чтобы две половинки весили больше целого яблока.

В макромире, согласимся, такого действительно быть не может, а пот в мирз элементарных частиц… Разнимая вещество на все более мелкие части, физики вдруг обнаружили нарушение закона сохранения массы. Оказалось: масса целой частицы всегда меньше суммы масс частиц, ее составляющих. Явление это получило название «дефект масс».

Понять этот очередной парадокс природы можно так.

Возьмем килограмм картофеля. Мы точно уверены: полная масса пакета складывается из масс отдельных картофелин. Каждую из них можно легко отделить от других.

А теперь допустим, что картофелины сильно сцеплены друг с другом (как бы склеены невидимым клеем!). Тут уже приходится затратить энергию, чтобы картофелины растащить. Но по формуле Эйнштейна эта, как и всякая энергия, эквивалентна массе. И получается: каждая из отторгнутых от кучи картофелин должна теперь стать более массивной!

И никакого при этом нарушения закона сохранения энергии. Дефект масс просто восполняет выделение (если позволить картофелинам вновь «слипнуться») соответствующего количества энергии, и все получается, так сказать, баш на баш.

Пример с картофелем может показаться натяжкой.

Однако даже при горении обычных дров уже можно уверенно говорить о дефекте масс. Нетрудно строго показать, что тут суммарная масса продуктов реакции чуточку меньше, чем масса дров и кислорода воздуха. И эта разница в массе трансформируется в тепло — кинетическую энергию продуктов горения.

Но, конечно, в макромире дефект масс проявляет себя крайне слабо. Здесь тела ломаются (рвутся, бьются, истираются, расщепляются) благодаря электромагнитным взаимодействиям. Колем ли мы дрова, взрываем ли скалу, делим ли в сосуде жидкость на равные части, грызем ли яблоко, рвем ли бумагу в клочья — всюду мы всего лишь разрываем хилые электромагнитные связи.

Их крайняя слабость и создает видимость того, что часть всегда обязана быть легче целого.

В микромире все не так. Если энергию, передаваемую в химических реакциях (электромагнитные силы), принять за единицу, то в ядерных реакциях ее выделяется в миллионы, а при пертурбациях элементарных частиц — в миллиарды раз больше.

Хороший пример дает термоядерный синтез, о котором в последние годы так много говорят и пишут. И неспроста: тут дефект масс столь значителен, что энергетики связывают с термоядерной энергией самые большие надежды.

Пока… Ибо энергетика будущего может быть построена и на других основах. Возможно, гораздо больший эффект даст нам «сжигание»… кварков.

Дело вот в чем: каждый протон состоит из трех кварков. Но каждый кварк (есть и такое подозрение) раз в десять (фантастика науки) тяжелее протона. Да, толстые кварки запросто умещаются в чреве худенького протона.

Итак, вновь дефект масс: если три свободных (строго говоря, свобода кварков никем окончательно не запрещена!) кварка объединятся в протоне, выделится громадная энергия. Ее было бы достаточно для снаряжения кварколетов в межзвездные экспедиции. (Вероятно, именно с подобными процессами сталкиваются астрономы при наблюдении взрывающихся галактик и других грандиозных явлений в космосе.)

Кто то уже подсчитал: когда три кварка сольются в протоне. 95 процентов их массы «исчезнет» — превратится в энергию. И «утилизация» всего одного грамма кварков позволила бы высвободить уйму энергии, эквивалентной сжиганию 2500 тонн нефти.

Неплохие перспективы для энергетики землян!

Максимоны

Легкое из тяжелого? Дефект масс это разрешает. А объединение этого принципа с законами квантовой механики намертво запрещает даже слабый намек на мысль о том, что в микромире массивное может складываться из легчайшего.

Одно из многих чудес квантовой механики — это так называемое «соотношение неопределенностей» Гейзенберга. Суть тут та, что. чем меньше размеры области, где заключен исследуемый объект, тем больше его скорость или энергия, или, что то же, — масса. Поэтому, чем в большие глубины забираются исследователи, тем с большими массами они обязаны иметь дело.

Понятно, подобные идеи не могли возникнуть ни у Демокрита, ни у Лукреция Кара, ни у физиков более позднего времени. И им поневоле приходилось довольствоваться примитивными матрешечными построениями.

И только в наши дни появился совершенно новый взгляд на структуру микромира, который даже пригрезиться не мог древним мудрецам. Не матрешки, вложенные одна в другую и становящиеся все меньше, а, так сказать, «антиматрешки», «матрешки наоборот»: череда все более увеличивающихся в размерах куколок, размещающихся тем не менее в бесконечно малом объеме.

«Но откуда возьмутся такие великанши? — вправе спросить читатель. — Где эти громадины прячутся?»

Ответ таков: в ядре.

Эксперименты по рассеянию мезонов и других частиц-снарядов на нуклонах позволили «прощупать» (своеобразный рентген!) их внутреннее строение.

Основное вещество протона, как в атоме, сконцентрировано в его центральной части — керне (радиус керна около 5 x 10-14 сантиметра). Однако если радиус атомного ядра приблизительно в сто тысяч раз меньше размеров самого атома, то радиус керна всего лишь в несколько раз меньше размеров протона (остальная часть протона — это мезонная оболочка, или «шуба»).

Атом своим строением напоминает солнечную систему. Протон же скорее всего похож на планету с массивным центральным ядром и окружающей ее протяженной атмосферой. Примерно то же самое можно сказать и про нейтрон.

Строение керна пока остается загадкой. Возможно, как подозревают некоторые ученые, керн нуклонов сложен из плотных сгустков очень тяжелых частиц. Там, вероятно, и находятся матрешки-гиганта.

Существование вереницы все увеличивающихся в размерах матрешек вновь ставит перед учеными и философами старинный вопрос, только теперь он как бы вывернут наизнанку конечна шеренга увеличивающихся магрешек или же бесконечна?

Или по-иному скажем так: если в старой атомистике шел спор о существовании какой-то мельчайшей из малых частиц, то теперь законно сирость, а нет ли в природе элементарной частицы предельно большой массы, которая бы претендовать на роль фундаментального «элемента» (слово взято в кавычки, ибо этот «элемент» по своим параметрам — масса — явно антиэлементарен!) матрешек?

Эти мысли (изложенные, конечно, строгим языком формул) впервые (1965) отчетливо выразил советский физик-теоретик академик М. Марков. Он же предложил назвать частицу с предельной массой «максимоном».

Спектр возможных масс элементарных частиц очень широк, но отчего бы не существовать его границам? Верхней — максимой и нижней — минимон (наименьшая отличная от нуля масса, это понятие также введено М. Марковым).

Готовой предельной массы природа не заготовила?

Что же, ее надо сконструировать!

Из скорости света с постоянной Планка h и гравитационной постоянной х можно образовать величину размерности массы:

…………………..

mмакс. = √ (hc/х)×10-5 грамма.

………………………….

Она — ее называют массой Планка — в 10^19 раз больше массы протона. Частица с такой массой и есть максимой.

Академик М. Марков полагает, что элементарная частица с такой чудовищной массой (обнаружить максимой на поверхности Земли нельзя: сила тяжести увлечет его, и он, разрывая слабые силы сцепления между атомами вещества, провалится к центру планеты!) должна ограничить спектр возможных частиц, что в природе не существует микрообъектов с массой больше, чем mмакс.

Прав ученый или нет — покажет будущее. Но уже сейчас можно утверждать о состоявшейся революции в наших взглядах на коренные аспекты мироустройства.

Имея в виду «опрокинутую» (не сверху вниз, к малому, а снизу вверх — к большому!) последовательность матрешек, М. Марков в одной из статей выразился так:

«Появление этой идеи можно рассматривать как самое яркое и значительное событие за всю тысячелетнюю историю наших представлений о веществе».

9

Вселенная в электроне?

Быть может, эти электроны

Миры, где пять материков,

Искусства, знанья, войны, троны

И память сорока веков!

Еще, быть может, каждый атом

Вселенная, где сто планет;

Там — все, что здесь, в объеме сжатом,

Но также то, чего здесь нет…

Валерий Брюсов

В ясную безоблачную ночь кто из нас, запрокинув вверх голову, не разглядывал усеянное звездами бездонное небо? Вот Большая Медведица. Полярная звезда, вон щедрая россыпь Млечного Пути… Созвездия, галактики, мир всевозрастающих расстояний. Где же конец этой веренице исполинов, когда за большим следует еще большее?

Что там, за космическим, галактическим горизонтом?

Бесконечна ли Вселенная или ограничена? Если размеры ее конечны, то как их измерить?..

Эти и подобные им волнующие вопросы задавал себе каждый.

Неожиданный, парадоксальный, ошеломляющий ответ дает академик-секретарь отделения ядерной физики АН СССР М. Марков. Бесконечно большое, казалось бы, неизмеримое он предлагает охватить… бесконечно малым!

«Там та же мировая спесь»

В каждой частице, какой бы малой она ни была, «есть города, населенные людьми, обработанные поля, и светит солнце, луна и другие звезды, как у нас». Анаксагор утверждал это еще в V веке до нашей эры.

Трудно согласиться с подобными утверждениями, весь наш чувственный, житейский опыт противится. В жизни наш удел — малые скорости, ничтожно малые по сравнению со скоростью света, и массы веществ, в неизмеримое число раз превышающие массу атомов и исчезающе малые по сравнению с массами звезд.

Меру огромного дает нам космос. Даже невооруженным глазом человек может различить на всем (оба полушария) небе 6 тысяч звезд. Но это число начинает бешено расти, если наше несовершенное зрение усилить астрономическими трубами, оптическими телескопами, радиотелескопами.

Тут уж в одном лишь Млечном Пути человеку удалось бы различить, как показывают оценки, примерно 200 миллиардов звезд. А надо бы еще учесть, что галактик, подобных нашей, в космосе, утверждают астрономы, можно насчитать до 10 миллиардов!..

Звездные бездны страшили французского ученого и философа Б. Паскаля (1623–1662). Он много размышлял о месте человека («мыслящего тростника», как он его называл) в этом беспредельном мире. Б. Паскаль говорил:

«Что такое человек в природе? Ничто в сравнении с бесконечностью и все в сравнении с ничем. Это середина между ничем и всем…»

Да, для нас малое — это атом, а большое — «толщи» Вселенной. И по старинке мы упрямо строим большое из малого.

Пока эту идею исповедует большинство. И только отдельные люди — ученые, поэты, философы, мечтатели — восстают против очевидности.

В XVII веке мысли Анаксагора о вложенных мирах повторил немецкий философ и математик Г. Лейбниц (он вместе с И. Ньютоном, независимо, заложил основы дифференциального и интегрального исчислений). Он также считал, что в каждой, даже «наименьшей части материи существует целый мир созданий, живых существ, животных…».

Эти взгляды Г. Лейбница и других мыслителей — вскоре пришла эпоха микроскопов, потрясенные натуралисты увидели за линзами сложные структуры, целые неведомые миры! — ядовито высмеял в стихах Д. Свифт.

Он писал:

Натуралистами открыты

У паразитов паразиты,

И произвел переполох

Тот факт, что блохи ость у блох.

И обнаружил микроскоп.

Что на клопе бывает кяоп,

Питающийся паразитом,

На нем другой, ad infinitum…

Но вопреки всем этим насмешкам многие биологи упрямо полагали, что яблочное семечко заключает в себе крошечную яблоню — целое дерево с плодами, внутри которых опять-таки находятся еще более крохотные яблоньки. И так до бесконечности.

Подобной игре воображения предавались и некоторые физики. И даже в не очень отдаленные времена, когда Н. Бор предложил планетарную модель атома.

Ход мысли его был таков: электроны — планеты атомной системы — населены чрезвычайно малыми живыми существами, которые возводят свои домики, обрабатывают почву и изучают свою атомную физику. И на каком-то этапе они обнаруживают, что и их атомы также являются маленькими планетными системами…

А в начале нашего века В. Брюсов в стихотворении «Мир электрона» (этот маленький шедевр датирован 13 августа 1922 года) писал — смотри эпиграф к этой главе — про электроны, где скрыты целые вселенные и живут существа, подобные нам. Вот продолжение этого стихотворения:

Их меры малы, но все та же

Их бесконечность, как и здесь;

Там скорбь и страсть, как здесь, и даже

Там та же мировая спесь.

Их мудрецы, свой мир бескрайний

Поставив центром бытия,

Спешат проникнуть в искры тайны

И умствуют как ныне я…

Как относиться к подобным представлениям? Объявить вздором, нелепицей? Давайте не будем торопиться с выводами. Ученые уже много раз показывали, как относительны понятия «большого» и «малого».

Эстафета великих открытий

В 1915 году была создана общая теория относительности.

Было показано, что геометрические свойства пространства реального мира существенным образом зависят от того, как распределена в нем материя. Другими словами, было установлено: окружающий нас мир, подобно изогнутому листу бумаги, обладает кривизной, и эта кривизна связана с гравитационным полем.

Простой пример. Мы привыкли, так учит в школе геометрия Эвклида, что сумма углов треугольника равна 180 градусам, или, если углы измерять в радианах, равна числу π. Но это верно лишь для Эвклидовой геометрии.

В неэвклидовых — сумма углов треугольника может быть и больше (пространства с положительной кривизной) и меньше (пространства с отрицательной кривизной) числа π.

По Эйнштейну, вид геометрии в конечном итоге определяет плотность вещества, распределение материи в пространстве. Если плотность достаточно велика, то, скажем, отношение длины окружности к диаметру перестает быть равным π. Это отношение может даже стать равным нолю, а изучаемая система при этом превратится… в крохотную точку.

В 1922 году ленинградский математик А. Фридман, анализируя уравнения общей теории относительности, сделал сенсационное открытие. (Широта интересов А. Фридмана поразительна: он имел звание летчика — в 1914 году добровольцем ушел на фронт и получил за храбрость «Георгия», — занимался теорией бомбометания, метеорологией — в 1925 году с научной целью поднялся в аэростате на рекордную для того времени высоту 7400 метров… А. Фридман любил повторять слова Данте: «Вод, в которые я вступаю, еще не пересекал никто». Жаль, что этот так много обещавший ученый скончался так рано: в Крыму, куда он приехал отдыхать, он заразился брюшным тифом и умер в возрасте 37 лет.)

А. Фридман обнаружил, что уравнение Эйнштейна имеет решения, которые описывают необычный мир — замкнутый. Под действием гравитации в отдельных участках Вселенной материя может «схлопнуться», образовав самозамкнувшееся пространство.

Как представить себе это необычное явление?

Возьмем шар и вообразим, что мы из землян превратились в «сферян», ползающих по поверхности шара и ничего не подозревающих о существовании третьего измерения.

Поверхность сферы образует особый двухмерный мир.

Он замкнут и в то же время безграничен — ведь по поверхности шара можно двигаться в любом направлении, не опасаясь наткнуться на какую-то неодолимую преграду.

Сферяне не догадываются о трехмерности их мира.

Но они могут ставить опыты и, допустим, решили опытным путем проверить, безгранична или же ограниченна их Вселенная. Они начинаю! чертить на поверхности сферы окружности. И вот, к их великому удивлению, длина окружности, все возрастая по мере удаления от того места, где находятся сферяне-экспериментаторы, достигает максимума (на экваторе), а затем (поразительно!) начинает неуклонно уменьшаться, вплоть до ноля.

Это бы и означало для сферян, что их мир замкнут.

Самосхлопывающийся мир Фридмана устроен подобным же образом. Только мы, люди, возможно, «ползаем» по поверхности уже не трех-(сферяне), а некого четырехмерного шара.

Радиус замкнутого мира зависит от его массы. Чем масса больше, тем больше и радиус, вмещающий эту массу «вселенной».

Замкнутый мир с массой, равной массе Солнца, имел бы радиус всего около 300 метров. А вот размер замкнутого мира с массой, близкой к массе известной нам части нашей Вселенной, составляет уже что-то около 10^23 -10^24 километров. Чтобы пересечь такой мир, световому лучу потребовалось бы более 10 миллиардов лет!

Свойства очень больших замкнутых миров практически не отличаются от свойств «плоского» (с Эвклидовой геометрией), не обладающего кривизной мира. И его жителям трудно догадаться о замкнутости их Вселенной и о том, что есть еще и другие, неведомые им миры.

Различные замкнутые миры полностью отделены друг от друга. Никакой связи между ними быть не может. По отношению ко всем остальным каждый из замкнутых миров является «абсолютным ничто», точкой, лишенной размеров, массы и всех других мыслимых физических свойств. Но для живущих в этом замкнутом мире существ их собственный мир — это бескрайняя Вселенная.

Вот так и возникает близкое соседство между нолем и бесконечностью!

В этой эстафете великих научных откровений следующий шаг, уже в наши дни, сделал академик М. Марков. Он высказал идею о том, что если замкнутую систему «подпортить» внесением электрического заряда, то она «откажется» быть полностью замкнутой. Возникнут (они, видимо, более часты в природе) «полузамкнутые миры», которые отличаются от замкнутых тем, что связаны с «внешним» пространством тонкой «горловиной».

Внутри горловины поле тяготения настолько велико, что Даже свет не в состоянии вырваться наружу. Снаружи же полузамкнутый мир должен казаться точечных размеров элементарной частицей.

Вот так и родилась мысль о том, что для «внешнего» наблюдателя, возможно, вся наша Вселенная с недоступными галактиками, с миллиардами звезд и планет, Вселенная с ее холодом беспредельности, так пугающей и принимающей человека, — все это, может быть, лишь крохотная частица размерами, допустим, с электрон!

Подобные частицы в честь Фридмана М. Марков назвал «фридмонами».

Проделки гравитации

Фридмоны — не порождение ли это фантазии ученых, подобной фантазии поэтов? Вовсе нет! Без всяких натяжек и дополнительных, гипотез система уравнений Максвелла — Эйнштейна содержит, оказывается, фридмонные решения.

Но как же это все-таки может быть? Как может Вселенная разместиться в электроне? Как быть с понятиями «большое» и «малое»?

Действительно, ситуация непростая. Какой критерий избрать для сопоставления размеров Вселенной и элементарной частицы? Ведь абсолютного эталона нет, все относительно. Мы, люди, все меряем по себе: то, что больше нас, — велико, что меньше — мало. Но правомерен ли такой подход? Да и наши-то истинные размеры, каковы они?

Может быть, более прав поэт Н. Заболоцкий, у которого есть такие строки:

Но для бездн, где летят метеоры,

Ни большого, ни малого нет,

И равно беспредельны просторы

Для микробов, людей и планет.

Но оставим общие рассуждения. Обратимся к физике и математике, к тому, что получил М. Марков.

М. Марков родился в 1908 году в селе Малыщше на Тамбовщине. Его отец был первым председателем сельского Совета в селе. Образование Маркова началось в церковно-приходской школе, но среднюю школу он кончал в Москве, и в 1926 году уже был студентом физфака МГУ. А в 1933 году была опубликована его первая научная работа: тогда его интересовала квантовая химия.

Сейчас М. Марков — один из ведущих советских физиков-теоретиков, Герой Социалистического Труда, крупный специалист по теории элементарных частиц, автор известных трудов: «Гипероны и К-мезоны» (1958), «Нейтрино» (1964), «О природе материи» (1976). В последней работе он проявил себя не только крупным физиком с мировым именем, но и недюжинным, глубоким философом.

Диапазон исследований М. Маркова необычайно широк. Но среди его многочисленных работ наиболее интригующим является учение о фридмонах. Заслуги М. Маркова в том, что он обратил внимание ученого мира на возможность своеобразного космологического подхода к теории элементарных частиц.

Прежде гравитацию в микромире серьезно не принимали в расчет. В одной из работ М. Марков пишет:

«…давно сложилось интуитивное мнение, носящее характер предрассудка о том, что гравитационные взаимодействия не могут играть существенной роли в теории элементарных частиц…»

Истоки «предрассудка» понятны. Ведь силы тяготения в 10^37 раз (!) меньше, чем, скажем, электрические силы. Естественно, что такую величину в пределах атома невозможно даже измерить, настолько она ничтожна.

Однако, оказывается, мыслимы такие ситуации, когда даже такое сверхслабое взаимодействие может проявить себя. Для этого надо массу системы резко увеличить (скажем, взять массу Вселенной!), а ее размеры резко сократить. И получится научное чудо, которое можно объяснить всякому, знающему хотя бы немного физику и математику.

Вспомним: энергия и масса эквивалентны. Раз так, значит, в инертной массе Вселенной заключена громадная энергия положительного знака. Но, как и у всякого массивного тела, у Вселенной есть еще и гравитационная энергия (энергия сжатия), имеющая отрицательный знак. И вот расчеты показывают, что при некотором критическом значении средней плотности вещества во Вселенной наступает равенство инертной и гравитационной энергий. А так как знаки у них различные, то суммарная энергия может упасть до сколь угодно малой величины и даже до ноля… Так огромная Вселенная окажется заключенной в почти замкнутом (по Фридману) мире, и ее внешние размеры могут быть микроскопическими и даже нолем.

Те же конечные результаты можно получить на языке физических символов. Пусть М — масса Вселенной, а К — ее радиус. Тогда энергия этой инертной массы положительна и равна Мс^2, где с — скорость света. Гравитационная же энергия той же массы будет отрицательна и равна — (xM^2)/2R, где x — гравитационная постоянная.

Приравнивая эти энергии, найдем связь между массой и радиусом Вселенной. Ну а критическое значение плотности р*= M/V, где V — объем Вселенной, получим, если будем считать, что Вселенная — шар и V = 4/3 ×πR^3, тогда p*=(6 × c^6)/(π × x^3 × M^2)

Теперь уже мы в состоянии «опытным путем» проверить гипотезу Маркова. Для этого необходимо лишь оценить величину плотности Вселенной. Константы с и X нам известны, остается только как-то определить М — массу Вселенной.

Взвесить Вселенную? Английский астроном А. Эддингтон (1882–1944) считал, что тут достаточно математических соображений. Так, он утверждал, что во Вселенной существует ровно 136-2256, или 15 747 724 136 275 002 577 605 653 961 181 555 468 044 717 914 527 116 709 366 231 425 076 185 631 031 296 протонов и столько же электронов. Ни больше ни меньше!

Современные теоретики не столь категоричны. Но все же и они утверждают, что для того, чтобы наша Вселенная стала микрочастицей — фридмоном, необходимо, чтобы средняя плотность вещества р в ней была 10-29 грамма в кубическом сантиметре (примерно 10 атомов водорода в одном кубическом метре космического пространства, имеется, конечно, в виду, что материя равномерно «размазана» по пространству).

Это теория. А что практика? Эксперимент дает более низкую цифру 10-30.

Однако в настоящее время стало ясно, что во Вселенной должна существовать так называемая скрытая электрически нейтральная масса. В принципе эту массу могли бы составить «нейтринные звезды», указанные М. Марковым еще в 1964 году. Эта возможность сейчас широко обсуждается в научной литературе. Возможно также, «скрытая» масса (она же энергия!) образуется «черными дырами». Таким образом, средняя плотность вещества может быть равной 10-29 грамма в кубическом сантиметре, необходимая для признания возможных микроскопических размеров нашего мира как целого.

Путешествие с демоном

В апреле — мае 1966 года в Крыму, вблизи Ялты, состоялась Международная школа по теоретической физике, организованная АН Украины и Объединенным институтом ядерных исследований (Дубна). В ее работе приняли участие теоретики из многих стран мира.

В своем докладе «Элементарные частицы предельно больших масс (кварки, Максимовы)» академик М. Марков, обращаясь к присутствующим, в частности, сказал:

«Я не хотел бы утверждать, что внутри того или другого электрона в настоящее время также происходит семинар по симметриям теории элементарных частиц. Не хочется подчеркнуть, что наши представления об элементарных частицах на самом деле могут быть очень далекими от действительного содержания этих объектов и что между «большим», космическим, и «микромалым» может и не быть такой пропасти, как это кажется с первого взгляда…»

Какое раздолье для фантазии и фантастических проектов представляет современная наука! Вот мы, земляне, уже которое десятилетие упорно ищем наших собратьев по разуму. Некоторые ученые пришли к пессимистическим выводам: дескать, жизнь на Земле — явление совершенно уникальное, неповторимое. Но если Вселенная способна уместиться в элементарной частице, то мыслящих иномирян мы, возможно, буквально держим в руках, топчем ногами, касаемся головой!

Чтобы хоть как-то представить себе необычный мир фридмонов, давайте совершим мысленное путешествие.

Когда-то Д. Максвелл ввел в обиход умозрительных физико-теоретических построений воображаемое существо (потом его назвали «демон Максвелла»). Ему доступно все: наблюдать отдельные атомы, сортировать их, летать со сверхсветовыми скоростями…

Представим теперь, что этот демон (и мы мысленно вместе с ним), отправившись из центра нашей Вселенной — а она фридмон, — начинает свое путешествие.

Демон встретит на своем долгом пути звезды, галактийи и другие немыслимо протяженные космические образования… Но вот он приближается к «горловине». Это та «пуповина», которая соединяет почти замкнутый (изнутри!) мир Фридмана с миром внешним.

Вылетая через горловину наружу, максвелловский демон с удивлением обнаружил бы, что та Вселенная, откуда он «родом», представляет собой теперь всего только микроскопический объект. Убедился бы, что все бесчисленные галактики, мимо которых он пролетал, трудновообразимым образом разместились в области крошечных размеров. И он должен был бы почувствовать себя, как автомобилист, вырвавшийся наконец из тесного темного туннеля на залитый светом необъятный простор…

Путешествие демона можно было бы и продолжить.

Допустим, что, вылетев из горловины, он оказался бы вновь в пространстве с критической плотностью вещества. Тогда бы ситуация могла повториться. Из фридмона № 2 он попал бы в мир № 3, который, в свою очередь, мог бы опять оказаться полузамкнутой Вселенной. И так далее, и так далее.

Миры в мирах, их бесконечная череда… А возможна ли связь между соседями во фридмонной цепочке? Между нашей цивилизацией и цивилизацией, существующей где-то внутри электрона или в какой-то другой элементарной частице?

Эта уже совсем фантастическая идея обсуждалась на страницах журнала «Химия и жизнь» в статье «Есть ли разум в микромире». Конечно, обсуждение велось в полушутливых тонах.

Если в микромире есть разум, говорилось в статье, то обращаемся мы с ним очень грубо, «с позиции силы».

В экспериментах на ускорителях одни частицы, несущиеся со световыми скоростями, мы сталкиваем с другими.

Варварский метод для установления каких-то контактов!

Как послать весточку в микромир? Как дать знать о себе? Обменяться информацией?

Пока неясно. Мы на Земле общаемся между собой на частотах от 10^1 до 10^6 герц. В микромире же, если учесть колоссальную разницу пространственных масштабов, общение возможно на гораздо более высоких частотах: 10^20-10^27 герц. Что же делать?

В статье упоминается такое предложение. Если толпу людей пропустить по ветвящемуся коридору, в левых ветвлениях которого слышен нечленораздельный гул, а в правых — человеческая речь, то в конце концов постепенно все люди повернут направо. Примерно той же процедуре предлагается подвергнуть и пучок элементарных частиц, двигающийся через особым образом организованную систему, делящую пучок поэтапно на правую и левую равные части. И еще предлагается квантовомеханическими средствами (они указаны в статье) создать слева — Хаос, справа — Порядок.

Если частицы «разумны», они смогут сориентироваться: выберут Порядок. И это послужит нам сигналом…

Огромное — мало, малое — огромно

Настала пора сделать важные оговорки. Во-первых, фридмоны — это пока лишь гипотеза, лишь предвидение теоретика. Наука сейчас не может ответить окончательно, тождественны ли фридмоны каким-то уже известным частицам, например, электронам, или же это что-то совершенно новое: тип частиц, которые еще только предстоит открыть опытным путем.

Во-вторых, совершенно неясно, можно ли говорить о каком-то подобии нашего мира, нашей Вселенной и того «космоса», который, возможно, спрятан в микромире.

Еще Д. Менделеев предостерегал от упрощенчества взглядов. «Есть своя захватывающая прелесть, — писал великий химик, — что малейшее в природе так же построено, как величайшее, но отсюда далеко до уверенности в том, что это так и есть на самом деле».

В-третьих, для общей теории относительности, если она уже вторглась в микромир, нужны квантовомеханические обобщения, но они только начинают разрабатываться современной наукой.

Квантовая теория гравитации, которая могла бы точно описать сильные гравитационные поля в микроскопических областях пространства, еще не создана. Физики могут лишь очень приближенно «сшивать» решения уравнений Эйнштейна с квантовой теорией. И поневоле многое в расчетах, начало которым положил М. Марков, остается еще неясным. И эти расчеты еще далеко не доведены до конца. (Кстати, кроме М. Маркова, подобными вопросами занимались и другие исследователи: известный теоретик С. Хокинг из Англии, советский профессор К. Станюкович — он предпочитает слову «фридмоны» слово «планкеоны», это название дано им в честь М. Планка, тем самым подчеркивается квантовая природа этих объектов, — занимаются подобными проблемами и другие исследователи.)

Квантовая гравитация обещает много чудес. Оценки (пока, увы, довольно грубые) показывают, что «горловина» фридмона — ее радиус чрезвычайно мал имеет размеры всего 10-33 сантиметра.

Предсказывает теория и очень сложную структуру материи, окружающей фридмон. Вокруг «голого» фридмона нарастают слои («шуба») из виртуальных спонтанно рождающихся и быстро исчезающих — частиц. Эти фантомы должны, в свою очередь, иметь слоистую структуру.

На дальней периферии (ближе к людям!) — это полупрозрачные, рыхлые мезонные «облака». А в областях, расположенных ближе к фридмону, находится более плотный «керн», слои из более тяжелых виртуальных частиц. И внутри всего этого «многоэтажия» прослоек (мы очень грубо, приближенно охарактеризовали его) глубоко и надежно запрятан фридмон. И он, быть может, и является как бы затравочным ядром для образования являющихся нам в опыте элементарных частиц. Но в этом ядре-фридмоне открывается… Вселенная!

Много еще научных вопросов предстоит решить.

Но как бы там ни было, концепция фридмонов очень обогатила современную науку.

А какой переворот в мировоззренческих, философских взглядах несет учение о фридмонах! Вспомним о матрешках. Размышляя о бесконечности материального мира, о структуре этой бесконечности, мы скорее всего слишком прямолинейны.

Бесконечную череду размеров (матрешка в матрешке) мы представляем себе чем-то вроде прямой, уходящей в область исчезающе малых (микромир) размеров, с одной стороны, и в область неограниченно больших масштабов, (мегамир, сами мы обретаем в макромире) — с другой.

Но, быть может, стремясь в космические дали, мы на самом деле лишь спускаемся в глубины микромира?

По Маркову, оказывается, бесконечность мира скорее похожа на круг, где сколь угодно малые величины «замыкаются» на бескрайне большие и соотношение ультрабольшого и микроскопически малого приобретает относительный смысл. Понятия переходят в свои противоположности. И бесконечное! ь мира похожа не на прямую с уходящими вверх и вниз стрелами, а на круг, где сколь угодно малые величины «замыкаются» на бесконечно большие.

* * *

…Холодное звездное небо над головой. Головокружительные дали, пытливо вглядываясь в которые человек узнает все новые научные откровения…

И главный, пожалуй, урок, преподанный фридмонами:

действительность может порой оказаться фантастичнее наших самых архибезумных фантазий.

10

Пирамиды XX века

Вместо того чтобы враждовать между собой из-за благосклонности публики, ученым больше подобало бы думать о себе как о членах экспедиции, посланной для обследования незнакомого, но цивилизованного общества, чьи законы и обычаи лишь смутно понятны.

Как бы ни интересно и полезно было утвердиться в богатых приморских городах биохимии и физики твердого тела, было бы трагедией прекратить поддержку партий, уже пробивающихся вверх по реке, через пороги физики микромира и космологии к таинственной континентальной столице, где издаются законы страны.

Стивен Вайнберг

Египетские фараоны жаждали величия даже после своей смерти. Ни средств, ни людей не жалели — возводили гигантские монументы. Крупнейший из них пирамида Хеопса в Гизе — имеет высоту около 150 метров. Но какими жалкими кажутся эти колоссы в сравнении с пирамидами XX века — ускорителями, воздвигнутыми во славу науки и человека.

Когда человечество глазами историков оглянется на бурный и неспокойный XX век и захочет в музеях будущего отвести этому столетию особый отдел, то, видимо, стремясь подчеркнуть грандиозность научных и технологических свершений тех далеких времен, оно поставит там наиболее внушительные по размерам экспонаты, — скажем, макеты космической ракеты, домны, атомной электростанции. Но среди всех этих символов нашего времени, возвышаясь над прочими, будет резко выделяться, бросаясь в глаза, модель самого грандиозного из построенных людьми ускорителя элементарных частиц. Эта модель будет для потомков, без сомнения, столь же значительной и памятной, как собор Парижской богоматери для тех, кто изучает эпоху средневековья.

Микроскопы микромира

Один остроумный журналист, желая показать взаимозаменяемость энергии и материи (точнее, массы, вспомним про формулу Эйнштейна), предложил энергию рассматривать как музыку, а элементарные частицы — как танцоров.

Что происходит в ускорителе?

Если совсем кратко, то тут танцоры способны превращаться в музыку, а музыка — в танцоров!

Рассказывать об ускорителях — значит повествовать о вещах очень необычных. Представим себе такую ситуацию. Кто-то захотел узнать устройство часов. Для этого он берет два будильника и с силой ударяет их друг о друга. Странный подход? Да. Но примерно по тому же принципу действуют и ускорители. (Добавим еще, что вместо россыпи шестеренок тут можно получить вдруг… дедушкины настенные часы!)

А еще — довольно распространенный прием — ускорители принято сравнивать с микроскопом. Это сопоставление обычно проводят примерно по такой схеме.

Говорят, что ускоритель — это исполинских размеров «микроскоп» (кавычки добавляют поневоле: внешне ускоритель мало похож на своего собрата по семье научных приборов). Пучку частиц в ускорителе, продолжают, соответствует световой поток в микроскопе; сложной электронной регистрирующей аппаратуре (детекторы, счетчики, логические и вычислительные устройства) — человеческий глаз, связанный с мозгом; системам формирования и управления пучком разгоняемых в ускорителе частиц (магнитные линзы, коллиматоры, системы коррекции) — оптическая система линз в микроскопе.

Обычные резоны физика, утверждающего близкое родство между ускорителем и микроскопом, таковы. Допустим, мы хотим рассмотреть какой-нибудь предмет, очень мелкий. Освещаем его. Если длина световой волны превышает размеры предмета, он остается невидим. Чтобы его разглядеть, необходимы достаточно короткие волны. Так и с элементарными частицами. Известно, что они не только корпускулы, но и волны. И длина этой волны будет тем меньше, чем больше энергия частицы. Вот и получается: чтобы «прощупать», скажем, сердцевину протона другим протоном, снаряд надо разогнать в электрических и магнитных полях до скоростей, приближающихся к световым.

Но в подобных рассуждениях не следует забывать, что элементарная частица не только волна, а своеобразный гибрид, сочетающий корпускулярные и волновые свойства. Поэтому как далеко может простираться аналогия между разглядыванием предмета в лучах света и зондированием элементарных частиц на ускорителях, сказать трудно.

Да, ускорители словно бы напичканы парадоксами.

Ныне это главное орудие для изучения фундаментальных законов микромира. Но то обстоятельство, что столь большие и сложные устройства необходимы для исследований столь ничтожных малюток, поражает, озадачивает, интригует и настораживает.

Быть может, как выразился один физик, эксперименты, выполненные на этих сверхмашинах, отчасти напоминают… «строительство шоссе для изучения химических свойств бетона»!

Ведь вполне возможно, что наблюдаемые явления (рождение новых частиц, к примеру) могут отражать не столько основные законы, сколько артистическое искусство экспериментаторов.

Что же происходит в ускорителях? В исчезающе малых объемах пространства в мельчайшие отрезки времени при соударениях концентрируются грандиозные порции энергии. (Частицы движутся со скоростью, близкой к скорости света, никогда ее не достигая, их релятивистская масса растет, и точнее было бы говорить не об «ускорителях», а об «утяжелителях».) Этот сгусток энергии по неизвестным законам и порождает весь тот сонм объектов, незнакомых и странных, который мы — скорее по инерции, чем по существу, — называем элементарными частицами. И вряд ли уместно тут говорить о каком-то расщеплении и представлять себе ускорители этакими «атомодробителями».

А коль так, что ж удивительного, если машины, предназначенные для постройки шоссе, и могут лишь строить шоссе, не более. Казалось бы, было странным, если бы они стали делать что-либо кроме…

Шляпы долой перед экспериментаторами!

С космических высот внимание инопланетян привлек загадочный объект на Земле — огромное, в несколько километров, кольцо. Если бы инопланетяне захотели познакомиться с таинственным кольцом поближе, то под толстым слоем насыпи они обнаружили бы кольцевой коридор-туннель, в котором при желании можно было бы устраивать велосипедные гонки.

Но настоящие гонки увидели бы в расположенной в туннеле вакуумной трубке диаметром в несколько сантиметров. В ней мчится со скоростью, достигающей 99,999 процента от скорости света, пучок протонов…

Один иронически настроенный физик писал так:

«Ускорители, без сомнения, самые крупные из когда-либо существовавших физических приборов. О них любят писать журналисты и поэты. Журналисты рапортуют об их графических ритмах. Поэты пишут о девушках, стоящих у циклотрона. Кинодеятели заставляют этих девушек танцевать на электромагните».

И нам стоило бы написать об ускорителях не главу, а целую книгу. Надо было бы рассказать, как росла мощь ускорителей, их размеры, как они постепенно превращались в своеобразных динозавров техники (нет, мы вовсе не хотим сказать, что, как и древние рептилии, ускорители вскоре вымрут!).

Только в книге достаточно большого объема можно было бы перечислить все типы ускорителей: ускорители линейные, циклические; все эти космотроны, фазотроны, микротроны, бетатроны, синхротроны, синхрофазотроны…

Вникнуть в тонкости ускорителей на встречных пучках.

Рассказать о новейших коллективных методах ускорения заряженных элементарных частиц. Поведать долгую историю совместных поисков физиков и инженеров. Но оставим все это до другого раза, будем говорить лишь о главном.

Возможно, когда-нибудь физикам удастся обнаружить и приручить монополи, эти однополюсные магнитики.

Тогда в ускорительном деле, видимо, произойдет подлинная революция. Ведь под действием сильных магнитных полей монополь мог бы приобрести огромную энергию на очень малых — десятки метров — расстояниях. Сейчас же для этого протону или электрону требуются километры пути.

Отчего так долог путь, а размеры ускорителей столь велики? Да потому, что частицы ускоряются в электрических полях (отсюда и стандартная единица измерения энергии ускоренных частиц — электронвольт, сокращенно эВ: энергия, приобретенная электроном при прохождении разности потенциалов в 1 вольт). А магнитное поле, не меняя скорости частиц, лишь формирует ее траекторию (обычно это спирали; разработка ускорителей современного типа началась с 1944 года, здесь очень велика заслуга советского академика В. Векслера (1907–1966), он предложил принцип автофазировки, который позволил поднять предел достигнутых энергий частиц сразу в тысячи раз!).

Электрическое поле слабенькое. А физикам сейчас нужны уже не мегаэлектронвольты, МэВ'ы (10^6 эВ) энергии, а гигаэлектронвольты, ГэВ'ы (10^9 эВ) и даже тераэлектронвольты, ТэВ'ы (10^12 эВ). Требуется все более мощная электронная и протонная стрельба (подсчитано, что энергия пучка протонов в современном ускорителе эквивалентна энергии снаряда весом в десятки килограммов, летящего со сверхзвуковыми скоростями). Обеспечить такие большие энергии слабым электрическим силам затруднительно: поневоле приходится все больше удлинять пути разгоняемых частиц — ускорители становятся все грандиознее.

В 1967 году, в канун 50-летия Советской власти, в городе физиков Протвине (он расположен вблизи Серпухова, там, где Московская область граничит с Калужской и где течет маленькая речка Протва. Это место было облюбовано физиками потому, что континентальный щит здесь ближе всего подходит к поверхности Земли, и тут проще всего было организовать защиту от вредных излучений), в Институте физики высоких энергий (ИФВЭ), был запущен на проектную мощность (позднее она была доведена до 76 ГэВ) Серпуховской ускоритель — кольцевой протонный синхротрон. До 1972 года (только тогда были введены в строй более мощные ускорители в Швейцарии и в США) он был крупнейшим из ускорителей.

А сейчас в Советском Союзе, в том же Протвине, строится уникальный ускорительно-накопительный комплекс ИФВЭ с расчетом на энергии до 3 ТэВ. Этой проблемой заняты коллективы многих институтов страны: Института физики высоких энергий, НИИ электрофизической аппаратуры, Радиотехнического института и других.

Длина ускорительного магнитного кольца вакуумной камеры нового синхротрона достигнет 20,772 километра!

Это больше, чем лента Садового кольца в Москве (длина кольца старого Серпуховского ускорителя — 1500 метров). В подземном туннеле, схожем с метро, диаметром 5 метров в 1990 году — срок пуска комплекса — посреди магнитов, размеры которых не могут отклоняться более чем на 25 микрон (хотя электромагнитные силы, создаваемые током в 6600 ампер, стремятся их деформировать), промчится протонный пучок. Его толщину с точностью до 1 миллиметра будут выдерживать 1200 специальных корректоров. Работой их, а также всего ускорительно-накопительного комплекса будет управлять электронный мозг: 85 мини-ЭВМ, около 500 микро-ЭВМ и несколько тысяч встроенных в аппаратуру микропроцессоров.

Но как ни грандиозно само по себе кольцо ускорителя, оно лишь малая часть всего сооружения. Рядом с ускорителем возводится энергокорпус и несколько экспериментальных залов, где разместятся многочисленные лаборатории, нафаршированные автоматическими системами для обработки фотографий с пузырьковых и искровых камер, отклоняющие магниты (их вес на старом ускорителе — 200 тонн!), высокочастотные сепараторы частиц и многое прочее.

Все эти экспериментальные залы, занимающие площадь в несколько гектаров, галереи и павильоны будут сплошь заставлены сложным электротехническим оборудованием, которое можно изготовить только на больших электротехнических и машиностроительных заводах. Во г почему все то, что создается вокруг ускорителя, требует финансовых затрат еще больших, чем стоимость самого ускорителя.

Современные ускорители, эти мастодонты науки, поражают воображение. Говорят, будто этот «микроскоп микромира» — просто прибор, только очень большого «роста». Прибор? Скорее это гигантский завод, фабрикующий элементарные частицы. Зачем нужны такие дорогостоящие махины?

Этот вопрос мы еще будем обсуждать. А пока остановимся и в знак нашего восхищения просто снимем перед экспериментаторами шляпу.

Времена одиночек прошли

Кто-то сказал: «Проникнуть в одиночку в тайну ядра так же трудно, как одному, без помощи многих других людей, слетать на Луну». Золотые слова: достижения в физике микромира теперь уже совершенно немыслимы без коллективных усилий.

За скупыми газетными строчками сообщений о новых открытиях в физике высоких энергий непросто разглядеть труд сотен людей самой высокой квалификации, которые готовили этот серьезный эксперимент долгие годы, не имея при этом, в сущности, никаких гарантий на успех. Нелегко представить и то, что удача тут часто определяется вовсе не физиками, а инженерами, конструкторами, технологами, всеми теми, кто создавал новый ускоритель.

Впрочем, об изменении стиля работы физиков-экспериментаторов предупреждали давно.

Выдающийся французский физик Ф. Жолио-Кюри, выступая на встрече нобелевских лауреатов и вспоминая старые времена (дело было в 50-х годах), говорил: «Еще всего лишь двадцать лет назад «артиллерия», применявшаяся для бомбардировки ядер атомов, помещалась в пробирке объемом в несколько кубических сантиметров.

Тот или иной опыт, приведший к чрезвычайно важным открытиям, требовал небольшой площади, всего несколько квадратных метров, и несложной аппаратуры. Ученый, который, по-моему, должен иметь склад ума, близкий к складу ума художника, чувствовал свою близость к исследуемому объекту. Он вел сравнительно прямое наблюдение. Он мог дать волю своему творческому гению. Он мог, не входя в большие расходы и не создавая препятствий для других сотрудников лаборатории, пропустить несколько этапов и скорее достигнуть цели. Временами легкие крылья, подобные крыльям Пегаса, увлекали его к открытию».

Дальше Ф. Жолио-Кюри рассказывал о том, как быстро в лаборатории физиков проникли громоздкие ускорители и связанная с ними негабаритная измерительная аппаратура Как стремительно рос технический персонал. Ученый продолжал: «Современный центр теоретических исследований в области атомной физики покажется неискушенному наблюдателю промышленным предприятием. Но не будет ли исследователь чувствовать себя раздавленным этим парадом огромных, сложных, но необходимых средств, стоимость нескольких часов работы которых достигает десятков, а то и сотен тысяч франков? Он чувствует, что уже не может, как раньше, пропустить те или иные фазы опыта. Он ощущает всю глубину своей ответственности за проделанную работу. Теперь желание поставить опыт только для того, чтобы «увидеть его результаты», с малой надеждой на успех, наталкивается на огромные трудности…»

Закончил свое выступление Ф. Жолио-Кюри скептическим замечанием: «Нельзя создать оригинальную работу на конвейере».

Увы! Можно протестовать, огорчаться, злиться, но времена ученых-одиночек в физике микромира прошли и, видимо, больше не вернутся. Чтобы убедиться в этом, чтобы почувствовать экспериментальную «кухню», надо побывать на ускорителе и присмотреться к работе тех (не только физиков!), кто трудится около него.

Можно было бы долго перечислять группы специалистов самых разных профессий и профилей; не будем этого делать. Ведь ясно, что на ускорителе, как и на огромном заводе, царит жесткое разделение труда. Сотни человек заняты непосредственной постановкой и обслуживанием эксперимента. Облучаемые потоками элементарных частиц камеры готовят десятки совсем других людей. Программы для ЭВМ составляет особая армия программистов. (Сейчас в числе соавторов многих работ физиков можно было бы смело поставить… ЭВМ. И физики шутят, что компьютерам осталось сделать последний шаг — научиться писать за них научные статьи.) Есть на ускорителе и особый отряд теоретиков (на синхрофазотроне в среднем каждый опыт-«сеанс» длится около двух недель, за это время исследователи получают десятки и даже сотни тысяч фотографий со «следами» процессов взаимодействия частиц). Теоретики заняты оперативной обработкой данных идущего эксперимента, интерпретацией полученных результатов.

Вот какое множество людей прямо или косвенно участвует в экспериментах на ускорителях. Что же тут удивляться, если после этого в физическом журнале появляется трехстраничная статья (физики обычно очень лаконичны) и в ней упомянуты не один, не два, а многие десятки авторов!

По этому поводу хочется вспомнить забавный случай.

В одном дружном физическом коллективе, занимающемся экспериментами с элементарными частицами на ускорителе, было решено располагать авторов в статьях на демократических началах — по алфавиту. Так и стали делать. И первым в списке всегда стоял некто — назовем его Баранов.

Такой порядок выдерживался несколько лет. А потом вдруг обнаружили: в советских и иностранных реферативных журналах, где очень уместна краткость, все статьи этой группы физиков значились под такой обидной для многих членов этого коллектива шапкой: «Баранов и др».

Что делать? Как выправлять крен? Долго размышляли и решили алфавитный принцип все же сохранить, но в каждой новой публикации передвигать цепочку авторов справа налево ровно на одну фамилию. Так, чтобы во второй статье первым ставить уже не Баранова, а Воронова; в третьей — не Воронова, а Говорухина и так далее.

«Кого ты больше любишь — маму или папу!»

Существует легенда, будто на вопрос о том, что бы он подумал, если бы эксперимент не подтвердил предсказанного им отклонения лучей света, автор общей теории относительности ответил: «Мадам, я подумал бы тогда, что бог упустил наиболее привлекательную возможность».

Ему приписывают и такие слова: «Разве недостаточно факта существования электрона, чтобы построить теорию?!»

Эти вроде бы несерьезные высказывания великого физика ставят серьезные вопросы. Ведь конечный итог развития любой науки не просто накопление фактов, а создание системы знаний.

«Ученый, — говорил А. Пуанкаре, — должен наводить порядок. Наука возводится при помощи фактов, как дом при помощи кирпичей; однако набор фактов является наукой в такой же мере, как груда кирпичей являет собой дом».

С этим заявлением нельзя не согласиться. Конечно, факты являются необходимой составной частью любой науки, но, будучи не взаимосвязаны, они имеют ограниченное значение. Прогресс в науке происходит только благодаря анализу информации, полученной из наблюдений, и формулировке соображений, которые устанавливают связь между фактами и позволяют оценить эту связь.

Теория — своего рода мозг физики, как, впрочем, и любой другой науки. Ее задача — кратко и ясно записать (сформулировать) то, что продиктовал эксперимент, и сделать это так, чтобы сразу стали видны все следствия, чтобы было понятно, каких деталей недостает, какие новые опыты необходимы. Но это еще не все, что требуется от теории.

«Истинная теория должна быть уязвим а, — считает советский физик, доктор физико-математических наук профессор Н. Мицкевич. — Ее достоинство не в том, что ее в последний момент можно подогнать под имеющиеся факты, а в том, что в ней, как в хорошем часовом механизме, все колесики на своих местах — стоит переставить хоть два из них, остановится вся сложная машина, и потребуется не просто ремесло, а подлинное искусство, чтобы отыскать причину поломки. И в этом, а не в бесконечном хлопотливом и неинтересном ремонте заключается действительный процесс познания, ибо каждая «поломка» — открытие качественно нового и глубоко содержательного закона природы, требующее его осмысления и приведения в соответствие со всем стройным комплексом наших знаний. Сам факт возможности такого построения и развития науки знаменует чтото совершенно особенное в природе, великую гармонию ее частей, целостность, при которой деление на части — условность, вызванная нашим собственным несовершенством…»

Роль теории более или менее ясна. А эксперимент, его значение? Конечно, это строгий контролер и отбраковщик теоретических концепций. Однако связь теории и эксперимента далеко не так тривиальна, как это может показаться с первого взгляда. Ведь, строго говоря, никогда нельзя доказать справедливость данной теории, хотя ее несправедливость можно установить экспериментами.

Предположим, собраны факты и построена теория, их объясняющая. С помощью этой теории мы можем сделать ряд предсказаний и проверить их в новых экспериментах. Если мы сделали 10 предсказаний и 9 из них проверили экспериментально, это еще не доказывает, что данная теория правильна: может оказаться, что десятое предсказание ошибочно! Однако в этой неудаче будет содержаться и своего рода успех, так как мы теперь будем точно знать, где именно теория несостоятельна.

Теория и эксперимент, их двуединство весьма и весьма плодотворно для развития физики. Тесное взаимодействие фактов и осмысления ставит множество методологических и философских проблем. Одна из них такова.

Сколько же экспериментальных фактов (долой лишние!) необходимо для теории? Какими должны быть эти факты? Вообще, какова оптимальная дозировка в смеси «эксперимент — теория»?

Физики уже не раз ставили перед собой подобные вопросы. Д. Блохинцев, например, отвечая на вопрос журналиста: «Что же мешает созданию новой всеобъемлющей теории элементарных частиц?» — говорил (1971) так:

«Нам трудно сейчас решить, в чем дело. Не хватает ли глубины понимания явлений, идеи, которая могла бы пролить свет на весь огромный комплекс фактов, или не хватает самих фактов?..»

Приводил он тогда примеры и из истории физики. Пока физики не дошли до понимания того, что существуют молекулы и атомы (теоретическая концепция!), не было и понимания различий между газообразными, жидкими и твердыми телами.

А вот противоположный пример, где видна зависимость теории от эксперимента. Пока Э. Резерфорд не обнаружил экспериментально атомного ядра, не было и предпосылок для создания планетарной модели атомов, работа у теоретиков не двигалась.

Изучение природы ставит перед исследователями непростые проблемы. Мы в этой книге много говорили о теоретиках, об их геройствах, научных подвигах. Пытались мы (в этой главе) разглядеть и фигуру экспериментатора. Осознали и то, что, по пословице, один экспериментатор (во всяком случае, при работе на ускорителях!) в поле не воин. Теперь же хотелось бы сравнить значимость этих главных фигур на шахматной доске физики.

Впрочем, может быть, такое сопоставление бестактно и бессмысленно? Один журналист высказался в том духе, что сравнивать роль теоретика и экспериментатора столь же глупо, как и обращаться к ребенку с запрещенным вопросом: «Кого ты больше любишь — маму или папу?»

Это одна точка зрения. Но есть и другие. Существует, к примеру, «доктрина экспериментизма». Она утверждает главенствующую роль эксперимента. В свое время экспериментисты доказывали, что вся теория относительности целиком выросла из одного-единственного опыта американского физика А. Майкельсона, в котором он с величайшей точностью установил независимость скорости света от скорости движения Земли (1881), перечеркнув тем самым гипотезу о мировом эфире.

Взгляды экспериментизма, понятно, развивают в основном экспериментаторы. Теоретики же, естественно, остаются при своем мнении. Они отмечают одну интересную особенность развития физики XX века. Говорят о том, что в этом столетии произошел резкий сдвиг в равновесии между теоретической и экспериментальной физикой.

Говорят о тенденции к господству теории над экспериментом.

Действительно, современная теоретическая физика в основном уже недоступна пониманию большинства физиков-экспериментаторов — во всяком случае, без соответствующих пояснений. И хотя не «предусмотренные» теоретиками и идущие вразрез с теорией экспериментальные открытия еще случаются, главные усилия экспериментаторов сегодня направлены на проверку теоретических гипотез.

Оно и понятно! Отдельному физику-экспериментатору (и даже большим группам физиков) трудно получить доступ к оборудованию, где приборы-ускорители стали размером с Лужники, где необходимо обрабатывать миллионы фотографий ради одной, подтверждающей идею, пришедшую в голову теоретику. А главное: экспериментаторы получают ныне дорогостоящее и сложное оборудование только в том случае, если докажут, что их опыты будут иметь то или другое отношение к господствующим в физике теориям.

Эксперимент активный и пассивный

В мае 1976 года в Серпухове (ИФВЗ) состоялось международное совещание физиков. Тогда рассматривалась возможность строительства силами многих стран самого большого ускорителя — «мировой машины», с энергией 10^4 ГзВ и диаметром до 30 километров.

«Суперускоритель? А cтоит ли его возводить? — тотчас же раздались сердитые голоса. — Стоит ли столь крупная игра свеч? Не есть ли это просто монументальные безделушки, созданные, чтобы удовлетворить ненасытную любознательность ученых? Да и дорого! Где взять необходимые средства? Ведь известно, что стоимость среднего эксперимента на ускорителях составляет порядка миллиона рублей, и, по-видимому, в ближайшие годы эта цифра станет еще больше».

И раздаются призывы вернуться от активного эксперимента к пассивному, скажем, больше внимания уделять космическим лучам.

«Но ускоритель, — возражают сторонники активных экспериментов, — дает 10^12-10^13 ускоренных частиц в секунду в виде тонкого (тоньше карандаша) управляемого пучка, в то время как поток космических лучей сильно разрежен (очень энергичные частицы — по стандартам, достигнутым на ускорителях встречаются тут одна на квадратный километр за год!) и неуправляем».

«Зато, — отвечают приверженцы пассивных действий, — создание лаборатории для исследования космических лучей стоит столько, сколько уходит на проведение лишь одного значительного эксперимента на ускорителе!»

В этих словах, конечно, есть своя сермяжная правда.

Академик Я. Зельдович как-то шутил, что ранняя горячая Вселенная (в известной мере космические лучи — это отголоски тех далеких бурных времен) — это природный ускоритель для «бедного человечества», которое пока не может на Земле создать такие условия.

Исследования космиков (так называют себя те, кто ловит космические лучи) уже не раз давали интереснейшие результаты.

В 1964 году в фотоэмульсии, поднятой в стратосферу, было обнаружено событие, в котором родилось сразу около 150 квантов. Это значит, что энергия прилетевшей из космоса первичной частицы равнялась 10^6 ГэВ! Анализ этого явления дал много ценного, и ему было присвоено собственное имя «Одинокая звезда Техаса».

Регистрировались и другие одиночные события, которым были присвоены экзотические названия: «Андромеда», «Кентавр». Подобные явления указывают на существование в природе сверхтяжелых частиц с массами до 200 ГэВ. Возможно, однажды так будет обнаружен и легендарный магнитный монополь…

Другая ветвь пассивных экспериментов, на удивление, не только не хочет иметь дело с космическими лучами, но прямо-таки стремится от них всячески избавиться: напрочь исключить их присутствие.

К этому обычно стремятся ловцы нейтрино, этих практически неуловимых, вертких частиц, для которых, казалоcь бы, не существует никаких преград (они с легкостью способны пронзить земной шар и не провзаимодействовать при этом ни с одной из повстречавшихся им на пути частиц).

Нейтринные потоки летят к нам из космоса вместе с другими компонентами космических лучей. И на этом фоне зарегистрировать нейтрино — это все равно, что во время оглушительной канонады пытаться услышать звук упавшей на Землю капли дождя. Вот и стремятся нейтринщики избавиться от космического фона. К примеру, они пробуют «зарыть» детекторы-приборы далеко в глубь Земли, чтобы скальные породы, прозрачные для нейтрино, отсеяли остальные легко взаимодействующие с веществами составляющие космических лучей.

Возможности реализации нейтринных проектов не раз рассматривались в нашей стране. По решению Научного совета по нейтринной физике при Академии наук СССР силами Института ядерных исследований озеро Байкал было недавно выбрано местом проведения уникального эксперимента: озеро Байкал должно стать ловушкой для нейтрино!

Ученые планируют создать в глубинах вод Байкала огромные — миллионы кубических метров — детекторы в виде «кристаллической решетки», в узлах которой разместятся тысячи детекторов-фотоумножителей. Они-то и будут вылавливать нейтрино.

Однако но только активные (ускорители), но и пассивные эксперименты также обходятся недешево. Поэтому вновь и вновь возникает соблазн ограничиться теорией, скажем, вести «эксперименты» на… ЭВМ.

Примерно четверть века назад вокруг ЭВМ кипели страсти, обсуждались вопросы: может ли машина мыслить, не дойдет ли дело до бунта роботов?.. Любопытно, что споры шли тогда, когда фактических оснований для них в общем-то не было; компьютеры были еще очень примитивными. А ныне, когда обычный калькулятор предлагает сервис куда больший, чем громадная машина тех далеких лет, шумиха улеглась. Споры затихли, но число профессий у ЭВМ быстро множится. В частности, в последние годы заговорили о приходе новой науки — вычислительной физики.

Вот что об этом пишет известный английский физик Ф. Хейне: «То, что я называю компьютерным экспериментом, имеет, на мой взгляд, чрезвычайное значение.

Краеугольным камнем научного подхода является создание в эксперименте управляемой ситуации, позволяющей сконцентрироваться на одних явлениях и исключить другие. Так, если мы собираемся провести научное исследование процесса коррозии, го мы не выбрасываем за окно кусок железа, чтобы посмотреть, что с ним будет, но выращиваем монокристалл с тщательно подготовленной поверхностью в ультравысоком вакууме, чтобы избежать всяких неконтролируемых загрязнений. Отсюда всего один шаг до того, чтобы «построить» кристалл железа на ЭВМ и следить с ее помощью за тем, как он взаимодействует с молекулой кислорода».

Численный эксперимент, или машинное моделирование (говорят также об имитации), этот подход, использующий силу электронного разума, уже дал много интересных результатов Один из них был даже увенчан Нобелевской премией. И теперь карта физики, где прежде значились лишь два континента — Теория и Эксперимент, — изменила свои вид. Из пучин микроэлектроники возникла еще одна твердь — Вычислительная физика.

Что, может быть, эта новация решит все проблемы?

Нет, решительно отвечают в одной из статей сотрудники ФИАНа И. Мазин и Е. Максимов. Ратуя за скорейший приход ЭВМ в физику, они. вынуждены признать, что заменить собой истинный эксперимент и настоящую теорию вычислительная физика все же не сможет. «Любое исследование на ЭВМ процессов излучения абсолютно черного тела, — пишут они в статье, — не может привести к открытию планковского распределения, если предварительно в машину не ввести законы квантовой механики. Точно так же постоянство скорости света само по себе не возникает в машинных экспериментах, если не использовать при этом законов теории относительности. Иными словами, что в ЭВМ заложишь, то и получишь».

Тут, правда, можно было бы заспорить. Мощь электронного разума стремительно растет. Уже на подходе пятое поколение ЭВМ — машин «говорящих», «видящих», логически «мыслящих». Не появятся ли тогда еще и физики… электронные? Системы, которые сольют теорию и эксперимент в единое целое? Но это мечты о будущем. Ну а пока?

Пока авторитеты — в споре об экспериментах активных и пассивных предлагают всячески интенсифицировать теоретические исследования, тратя все больше усилий на обработку и упорядочение ранее полученной экспериментальной информации, на ее всесторонний анализ.

И все же призыв заменить дорогостоящие ускорители «серым мозговым веществом», больше концептуально мыслить, предвосхищая законы природы и не выходя за стены кабинета, не накапливать новые факты с помощью ускорителей или иных недешевых средств, а обходиться более искусным использованием «теории, веревочек и сургуча» — эти призывы кажутся довольно неубедительными. Десятилетия застоя в изучении гравитации показывают, что может произойти даже с самым интересным предметом без давления новых фактов.

Новые ускорители строить необходимо, но делать это становится все труднее. Построенный в 1931 году первый циклический ускоритель имел диаметр всего лишь 25 сантиметров (он разгонял протоны до энергии в 1 МэВ), а ныне уже изучается проект установки (Desertron, США) с длиной окружности в 100 километров!

(Понятно, будь у физиков-экспериментаторов какой-то другой способ изучать кварки и другие элементарные частицы без гигантских ускорителей, массивных детекторов, больших ЭВМ, они предпочли бы его. К сожалению, иные пути неизвестны.)

С увеличением размеров и стоимости ускорители сначала были доступны только специальным национальным лабораториям, а затем лишь международным центрам исследований. И в настоящее время имеется лишь три региона, где исследования в области физики высоких энергий ведутся наиболее активно: СССР, США и Западная Европа (ЦЕРН в Женеве и ДЕЗИ в Гамбурге). Физики, ведущие эксперименты в разных странах, хотели бы уменьшить дублирование работ, создать в этой области «разделение труда», ввести «паевой» стиль исследований.

Предполагалось, что к концу этого века должна быть создана единственная Всемирная лаборатория, в которой будут представлены физики всего мира. Однако для этого необходима благоприятная международная политическая ситуация.

Белая ворона микромира

Есть два пути изучения внутренней структуры элементарных частиц: увеличивать энергию ускорителей, строить машины все более огромные, и второй путь — увеличивать точность опытов при уже достигнутых на старых ускорителях низких энергиях (следуя этой тропой, физики в Протвиие недавно открыли еще две элементарные частицы — аш- и эр-мезоны).

Что предпочесть? Конечно же, первое: так считает большинство физиков. И эта стратегия себя прекрасно оправдывает. В последние десятилетня все самые важные открытия в физике высоких энергий были сделаны с помощью ускорителей, мощь которых непрерывно росла.

Ждут физики и еще большего.

Энергия проектируемого нового ускорителя в Протвине — ТэВ'ы. Казалось бы, глупо спрашивать, почему выбраны такие величины: по дороге в неизведанное сюрпризы могут подстерегать исследователя на любом километре! Удивительно, однако, что физики знают, чего хотят. И ТэВ'ы выбраны не случайно. Именно за этим порогом может проясниться природа слабых взаимодействий.

Если рассуждать совсем грубо, то при энергиях, равных ТэВ'ам, физики хотят узнать, какая из цифр — тройка или четверка — более близка микромиру. Если точнее: трехчастична или же четырехчастична природа элементарных взаимодействий?

Уже давно (Э. Ферми, 1934 год) теория слабых взаимодействий формулировалась как взаимодействие с участием четырех частиц: так нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Поразительно, что все другие взаимодействия исключительно трехчастичные.

Тот же нейтрон, например, испуская пи-мезон, превращается сильным взаимодействием в протон. Вот и получается, что но ряду свойств слабые взаимодействия в микромире можно считать белой вороной.

Лет тридцать физики пытаются свести четырехчастичные слабые взаимодействия к трехчастичному, например, электромагнитному. Для этого предположили, что слабое взаимодействие на деле идет в два этапа. Вначале нейтрон испускает протон и некоторую гипотетическую частицу (первое трехчастичное взаимодействие). А промежуточная частица уже затем распадается на электрон и антинейтрино (второе трехчастичпое взаимодействие).

Несмотря на упорнейшие поиски, этого посредника никак не могли обнаружить. Но идея унификации типов взаимодействий столь привлекательна, что на всех ускорителях вновь и вновь ставились эксперименты по его поиску.

Так вот, энергии в несколько ТэВ — это как раз та предельная область, для которой имеет смысл идея промежуточной частицы и ее поиски. И тут эксперименты на новом синхротроне в Протвине должны были бы стать решающими.

Итак, физики-экспериментаторы вновь вышли на тропу охотников. Теперь они хотят отловить так называемые промежуточные векторные бозоны — так позднее стали называть то, что никак не могли обнаружить. Эти гипотетические частицы (есть среди них заряженные W+ = и Wn~ бозоны, есть и нейтральный — Z°) переносят слабое взаимодействие так же, как, скажем, глюоны, переносчики цвета, — кварковое, сильное взаимодействие.

Почему изловить новый тип бозонов трудно? Потому что масса у них огромная — примерно под сотню ГэВ, почти в 100 раз больше, чем у протона. А для рождения частиц с большой массой как раз и нужны ускорители с достаточно высокой энергией частиц-снарядов.

Ныне выслеживание W- и Z-бозонов подошло, видно, к кульминации. То и дело (1983–1984 годы) в специальной и популярной печати появлялись статьи с броскими заголовками: «Погоня за бозонами», «W-бозон обнаружен!», «Как поймали бозон»… Физики-экспериментаторы вертятся, как кот вокруг горшка с гречневой кашей. Одна группа сообщила, что по косвенным признакам она-де обнаружила 4 события, спровоцированные W-бозонами. Другая спешно публикует отчет о поимке 6 бозонов.

Но главные события все же, вероятно, развернутся в 1985–1986 годах. К тому времени физики хотят ввести в действие ускорители на встречных пучках столь мощные, что они станут настоящими фабриками векторных бозонов. За сутки (по самым консервативным оценкам) будут рождаться несколько десятков тысяч (!) векторных бозонов.

Партоны: кто следующий!

Эксперименты на ускорителях имеют решающее значение и для кварковой гипотезы. К примеру, физики из Дубны обнаружили неизвестные частицы, поведение которых становится понятным, только если допустить, что они состоят из 5 кварков.

Еще пример. Давно известно: столкновение электрона с позитроном и их аннигиляция могут завершиться рождением пи-мезонов, пионов. Теперь полагают, что этот процесс идет через стадию рождения пар кварк антикварк. И каждая из этой пары частиц порождает несколько пионов, дает, как принято у физиков говорить, пионную струю.

Пленные струи регистрируются давно. Но как доказать, что они имею г кварковую природу? Что их породили именно кварки?

Пионы имеют целые заряды, кварки — дробные. А что, если просуммировать заряд всех пионов, общий заряд пионной струи? Ведь этот заряд (плюсы и минусы зарядов отдельных пионов взаимно сократятся) должен быть равен исходному заряду кварка, с которого и началась ппонная струя. А?

Эти измерения провели. Они дали замечательный результат: в среднем суммарный заряд пионной струи оказался равным плюс 2/3 и минус 1/3! Ну как тут не думать о реальности частиц с дробным зарядом, о реальности кварков?

Эксперименты на ускорителях делают кварковые списки все длиннее. Физики уже различают кварки u, d, s, b, с, t; кварки «верхний», «нижний», «странный», «красивый», «очарованный», «истинный». Все? Шеренга кварков оборвалась? Трудно сказать. Кое-что уже пророчит «демографический взрыв» и для кваркового семейства.

Сейчас кирпичиками микромира считаются кварки и лептоны. Говорят о кварк-лептонном уровне материи.

Но не слишком ли много набралось этих кирпичиков?

Кажется, что ситуация с элементарными частицами может повториться. Ведь подсчеты дают для числа всех возможных кварков и лептонов оглушительную цифру — 90! Много, очень много!

Физики начинают подозревать, что сами кварки и лептоны, по-видимому, также обладают внутренней структурой, состоят из более мелких (или крупных?) субчастиц.

Теоретикам тут все проще. Они уже успели напридумывать множество схем, в которых фигурируют те или иные пракварки. Одни авторы называют их «преонами», «сомонами», «хромонами» (хромоны обусловливают цвет кварков, они имеют красный, желтый, синий цвета, есть и бесцветный хромон). Другие теоретики толкуют о «римонах», «гиперглюонах», «гликах» и других перлах теормудрости.

Теоретикам легче! А вот экспериментаторы должны уговаривать администраторов, упрашивать, обивать пороги, клянчить, молить, требовать, выбивать, настаивать, давить — все это, чтобы показать, что они ну просто жить не могут без новых, еще более сильных ускорителей, которые позволили бы им залезть «в душу» уже не к протонам или нейтронам, а к кваркам и лептонам!

Пракварки, пралептоны — уж не химера ли все это?

Прежде, говорят критики, надо было бы убедиться в существовании самих кварков! Что же, тут появились обнадеживающие результаты.

В 1970 году ученые, ведущие исследования на Стэнфордском линейном ускорителе (США), направили пучок электронов, разогнанных до высоких скоростей, на протоны и нейтроны. И поразительно! У стэнфордских физиков повторилась история Э. Резерфорда. Тот расстреливал атом, его ядро. Теперь же, обстреливая электронами протон и нейтрон, ученые тоже открыли в них какие-то объекты! (Электроны разгонялись в ускорителе до энергии 20 ГэВ, они уже могли прощупать размеры в 10-16 сантиметра, то есть приблизительно тысячные доли от диаметра протона.)

Как и в опытах Э. Резерфорда, выяснилось: протон и нейтрон в большей части своего объема пусты! — электроны в основном проскакивали сквозь них, не меняя своей траектории. Однако изредка при соударении с протоном электроны натыкались на какую-то преграду.

Эти микрообъекты Р. Фейнман назвал «партонами».

(В отличие от загадочного слова «кварк» это название объяснить совсем просто: оно образовано от английского part — часть.)

Итак, появилось еще одно действующее лицо микромира — партоны. Не есть ли это все те же кварки, которые никак не могут обнаружить? Пока на этот вопрос определенно ответить трудно. Но, во всяком случае, кварковая модель вопреки предсказаниям скептиков получила бы еще одну мощную поддержку.

* * *

Говорить о будущих возможностях, которые могут дать ускорители, трудно. Обычно самое важное и значительное в новой области исследований — так учит вся история науки — это неожиданное, непредвиденное.

И пожалуй, наиболее важный аргумент в пользу форсирования исследований на ускорителях в том, что именно в физике высоких энергий, как ни в какой другой науке, НЕОЖИДАННОЕ НАИБОЛЕЕ ВЕРОЯТНО.

11

Инженеры торопят физиков

Я часто задумывался над тем, какая польза человеку от чрезмерной образованности, если он не может употребить ее для собственной пользы.

О. Генри

Аристотель, этот столп античной учености, в соответствии с духом и правилами своего времени считал кропотливую работу естествоиспытателя делом, достойным раба, а не свободного человека. В ту же эпоху рабовладельчества Архимед писал: «Низко все, что имеет практическое значение».

В нате время отношение к науке стало иным. Вот что, к примеру, писал Ф. Жолио-Кюри: «Ученые не вправе считать себя кучкой избранных, чуждых задачам практической жизни. Будучи членами великой семьи трудящихся, они должны быть озабочены тем, как используются их открытия».

Да, ныне фигура ученого, его упорный (вот бы удивился Аристотель!) труд окружены всеобщим вниманием и уважением. Более того, от исследователей (мнение Архимеда?!) ждут именно практических результатов.

И ученые, особенно физики, дают их.

Только один пример. На заре своего развития ядерная физика, установив, казалось бы, второстепенный с теоретической точки зрения факт, что при делении ядра урана испускается более двух нейтронов, породила всю современную ядерную энергетику, все АЭС, которые к 2000 году будут в нашей стране давать примерно треть всей добываемой энергии.

Достижения физиков, их методы, идеи все решительнее вторгаются в пашу повседневную жизнь. Причем часто самым неожиданным образом.

Ускоритель частиц — на вашем столе!

В одной из своих последних лекций итальянский физик Э. Ферми говорил об ускорителе протонов на энергию 10^4 ТэВ. Увы, говорил он это полушутя: кольцевой магнит такого ускорителя должен был бы опоясывать земной шар по экватору!

На таком грандиозном фоне мечты об ускорителе, разгоняющем частицы до больших энергий и разместившемся где-нибудь в подвале дома, покажутся неуместной шуткой. И все же такие малогабаритные ускорители вполне возможны. В это верят и ученики академика Г. Будкера, работающие в новосибирском академгородке, и исследователи из подмосковного города физиков Дубны (группа В. Саранцева). Хотят этого и физики Абхазии, работающие по проблеме «Коллективное ускорение ионов в электронных пучках».

Небольшая, забитая приборами комната — лаборатория физики плазмы и газового разряда Абхазского государственного университета. Возглавляет лабораторию кандидат физико-математических наук доцент Г. Джобава.

— Вот здесь и разместится наш ускоритель, — говорил он автору этой книги, указывая на стенд размером с обычный письменный стол. — Мы перенесли его из другого здания и сейчас монтируем. Он будет ускорять ионы до энергий в миллионы электрон-вольт.

«Как, — помню, удивился я, — ускоритель, уместившийся в маленькой комнатушке? Так сказать, «домашний» ускоритель?..»

В конце 50-х годов академик В. Векслер высказал оригинальную идею. Суть ее была в том, чтобы поле, ускоряющее частицы, создавалось не внешними источниками (здесь возможности уже практически исчерпаны), а возникало в результате взаимодействия группы ускоряемых частиц с другой группой зарядов (отсюда и термин «коллективное ускорение»).

Ускоряющей группой может быть и струя электронов, и поток плазмы, и электромагнитная радиация. Это и есть, так сказать, «внутренние резервы» ускорения.

Скажем, в плотной плазме напряженность электрического поля может достигать 10^8 вольт на сантиметр.

И значит, для ускорения частиц потребуются уже не километровые «дистанции», а… метровые! И этот бурный «спринт» даст вполне ощутимые результаты.

Но как этого добиться? Как практически реализовать столь заманчивые предложения? Физики перепробовали много способов. Расскажем лишь об одном, на наш взгляд, очень изящном.

…Лет двадцать назад в Сухумском физико-техническом институте группа исследователей под руководством доктора физико-математических наук А. Плютто пыталась получить из плазменного источника сильноточные электронные пучки.

Ученые имели свои «интерес», об ускорителях они тогда не помышляли. Однако по ходу экспериментов обнаружилось: при определенных условиях наблюдаются ионы плазмы с энергиями, существенно превосходящими приложенную разность потенциалов. Так, к источнику подавались напряжения порядка сотен киловольт, а ионы имели энергии в несколько миллионов электрон-вольт!

Вот этот «незапланированный» успех своих земляков — сухумских физиков и пытаются развивать физики Абхазского университета (работа ведется совместно с Московским институтом теоретической и экспериментальной физики).

Мощный поток электронов, извергаемый электронной «пушкой» — эмиттером, направляется на сгусток плазмы положительно заряженных ионов, которые и надо ускорить. Легкие и поэтому подвижные электроны, «забежав» вперед ионов, начинают подтягивать к себе (своего рода «гонка за лидером»). И сила эта будет действовать, пока скорости электронов и ионов не сравняются.

Но масса, скажем, протона в тысячи раз больше массы электрона. Значит, во столько же раз будет больше и его (протона) кинетическая энергия! Так слабые энергии пучка электронов оборачиваются огромными энергиями ускоренных ионов.

В этом суть наиболее простого из новых методов коллективного ускорения ионов — прямоточного. Есть и другие: например, ускорение электронными кольцами, эти работы наиболее энергично ведутся в Дубне.

Да, слова «домашний ускоритель» не столь уж и неправомерны. Энергии электронного пучка в кинескопе обыкновенного телевизора (20 киловольт) пли в рентгеновской трубке вполне достаточно для мощного разгона ионов. И подобный ускоритель свободно разместится на рабочем столе исследователя!

А такие малютки очень нужны. Можно было бы, к примеру, моделировать солнечный ветер, исследовать поведение радиоэлектроники в условиях космического полета. «Прикладники» смогли бы (без необходимости получать допуск к большим ускорителям) у себя на месте, почти в «домашних условиях», осуществлять, скажем, ионное легирование напыленных пленок, проверять надежность аппаратуры, собранной на микросхемах.

Мини-ускорители не фантазия, порукой тому — работы, которые ведут физики Абхазии.

Деликатесы и хлеб насущный

Телевизоры и транзисторы — вещи обыденные для каждого из нас. А все потому, что примерно 90 лет назад ученые открыли электрон. Атомная энергетика, а завтра — термоядерный синтез? И это результат открытых физиками деления и слияния ядер. Но еще более волнующие открытия сулит нам изучение мира элементарных частиц. Тут техника, возможно, поднимется до таких вершин, о которых нам и не мечталось.

Это один взгляд на будущее микрофизики, взгляд, исполненный оптимизма. Однако есть и противоположное мнение. Часть ученых считает, что роль микрофизики изменилась, что она утрачивает свою позицию лидера, что ее скоро потеснят более бойкие, а главное, более полезные человеку науки.

В последние годы подобные вопросы неоднократно ставил и обсуждал академик В. Гинзбург. Его книга, например, «О физике и астрофизике?» (1974) имеет характерный подзаголовок: «Какие проблемы представляются сейчас особенно важными и интересными?»

Он считает, что место микрофизики во всем естествознании и в жизни общества радикально изменилось: мода на нее прошла, самый блестящий в общечеловеческом плане этап в развитии микрофизики уже позади.

(Справедливости ради следует отметить, что в новых высказываниях — а ученый довольно часто итожит развитие науки и делает прогнозы — эта негативная позиция несколько смягчена.)

Вот что писал академик: «Если позволено будет выразить сказанное в ненаучных терминах, я сказал бы, что микрофизика в первой половине нашего века была первой дамой естествознания. Сегодня и завтра она остается, и останется «только» самой красивой дамой. Но в том-то и дело, что разные люди могут считать разных дам самыми красивыми, первая же дама (в отличие от первых заместителей), по определению, только одна (например, так называют жену президента). Позволю себе добавить, что для меня самого микрофизика была и остается самой красивой физической дамой. Но в отличие от некоторых коллег я лишь считаю, что поклонение не должно сопровождаться игнорированием изменений возраста и характера, а также пренебрежением к другим объектам, достойным восхищения».

Эти шутливые слова прикрывают вполне весомые доводы. Действительно, в первой половине XX века в центре внимания микрофизики находились атомы, электроны, фотоны, атомные ядра. Все вещества состоят из атомов, пишет В. Гинзбург, свет Солнца дарит Земле жизнь.

Так стоит ли удивляться, что физики, фактически подчинившие эти атомно-фотонно-электронно-ядерные стихии, стали центральной фигурой в науке, и не только в ней!

Но времена меняются. Овладев атомами и их ядрами, этим хлебом насущным, микрофизики углубились затем в объекты совершенно экзотические, стали «выращивать» редкие, нежные растения, или, по-иному, стали лакомиться редчайшими деликатесами.

В самом деле, ну какое значение для промышленности, сельского хозяйства, для жизни отдельных стран и всего человечества могут иметь микрочастицы, живущие ничтожные доли секунды, все эти мезоны, частицы-резонансы? Могут ли принести пользу технике неудержимые нейтрино? И есть ли какой-то прок от ароматных цветных кварков, прячущихся, словно улитка в своей раковине, и не желающих ни за какие коврижки оттуда вылезать?

«То исключительное место, — продолжал академик, — которое микрофизика занимала в недавнем прошлом, в значительной мере перешло к биологии и, конкретно, к биофизике и молекулярной биологии, обещающим создать жизнь «в пробирке», радикально удлинить человеческую жизнь, побороть страшные заболевания (рак и другие), мобилизовать огромные ресурсы человеческого мозга. Микрофизика же сегодняшнего дня заняла место, аналогичное астрофизике с ее увлекательными открытиями и загадками, с ее пульсарами, квазарами, «черными дырами», космологической сингулярностью…»

Это мнение В. Гинзбурга разделяют и другие ученые.

Ход их рассуждений таков. Атомная физика как наука завершена. Ядерная физика — здание, еще не достроенное, по то, что она может дать практике, уже вполне определилось. С 40-х годов микрофизика стала изучать прихотливый мир элементарных частиц. Получаются они искусственным путем на ускорителях и в космических лучах. И тут человек как бы творит и хочет познать совершенно искусственный ирреальный мир, имеющий с миром реальным ничтожную связь. Потому и трудно ждать каких-то практических выгод от подобных исследований. (Так и рождается версия о том, что работающие в этой области физики похожи… на коллекционеров марок. Или другая сентенция: что, строя дорогостоящие ускорители, ученые удовлетворяют свое любопытство за, так сказать, государственный счет.)

Подтвердить сказанное вроде бы легко. Вспомним хотя бы про загадку мю-мезона, или, если короче, мюона.

Мюоны — это электроны, только гигантских размеров. Зачем они? Ведь электроны прекрасно справляются со своей ролью в природе, никакой помощи от мюонов им не нужно. Сейчас, правда, полагают, что мюоны и другие диковинные частицы были необходимы в давние времена, на ранних этапах эволюции Вселенной. Возможно еще, что они трудятся в недрах далеких звезд. Но па Земле мюоны явно оказались без дела, и считается, что они остаются «безработными» до сих пор.

Мезонные фабрики

В доводах тех, кто отказывает микрофизике в большом будущем, есть, несомненно, доля истины. Ведь по мере продвижения в глубь материи разрыв в масштабах времен, длин, массы — между тем, что окружает человека, и тем, что он наблюдает, все увеличивается. И мы уже попросту вынуждены наполовину жить в стране абстракций, в иллюзорном, фантастическом мире.

Во всем этом — тщете представлений, в ломке взглядов — есть и глубокий трагизм. По существу, человек сам разрушает свой мир, ту область, экологическую нишу, так сказать, где ему так легко и свободно (имеются в виду представления!) дышалось. Он добровольно отказывается от тысячи понятий, сопровождавших его в жизни на каждом шагу. В поисках истины исследователи по камушкам, по досточкам разбирают лежащий под их ногами и без того крохотный мосточек, простершийся над бескрайним бушующим океаном природы.

Но нет худа без добра! Немало теряя, мы много и приобретаем: новые технологии, понимание скрытой сути вещей. Одно из этих достижений осознание того факта, что при погружении в микромир связь между совершенно разнородными, как прежде казалось, силами-стихиями становится все крепче.

Вспомним про ядерную демократию, про этот чудесный механизм «взаимной поддержки», «самосогласованности» элементарных частиц, когда оказывается, что в мире буквально все важно и значительно, что здесь нет пылинок, мелочен, второстепенного, где все завязано в один тугой узел, где бессмысленно рассматривать, скажем, протон без мезонов и всех других частиц, где только полная совокупность всех сил и явлений природы, порождающей саму себя, и творит данный нам в ощущениях мир.

Но отсюда следует и вывод практического порядка: только выяснение достаточно полной картины микромира позволит понять и столь важные для нас с точки зрения приложений ядерные силы. Таким образом, неожиданно выясняется, что физика элементарных частиц познает не только искусственный мир, не только далекие от жизни фантомы, но и структуру далеко не безразличной для нас области природы.

Вот так возникают очертания моста, соединяющего физику ядра и физику элементарных частиц, а также эти разделы фундаментальной физики с прикладными областями.

Как все это реализовать в практическом плане?

В ближайшие годы в подмосковном городе Троицке (Красная Пахра), где расположен Научный центр АН СССР, в Институте ядерных исследований (ИЛИ, его директор — академик АН Грузии А. Тавхелидзе, да, тот самый, кто вместе с Н. Боголюбовым сделал кварки цветными) начнет работать совершенно необычная фабрика… мезонная.

Еще с 70-х годов лексикон физики элементарных частиц пополнился новым термином — «мезонные фабрики». Речь тут шла, по сути, об ускорителях. Но дело было уже не в том, чтобы создавать колоссы в погоне за рекордными энергиями частиц, а чтобы на этих новых ускорителях получать пучки элементарных частиц с плотностями в тысячи раз большими, чем в пучках традиционных ускорителей.

Энергия мезонной фабрики в Троицке всего 600 МэВ (таковы параметры монтируемого там линейного ускорителя протонов и отрицательных ионов водорода), но зато ток пучка достигнет 1 миллиампера, так что мощность пучка — 0,6 МВт уже будет сравнима с мощностью небольшой электростанции.

Зачем нужны большие плотности пучка частиц? Чтобы прежде всего повысить точность экспериментов на ускорителях. Число измеренных событий, очевидно, пропорционально числу частиц в пучке. Надежность экспериментов поэтому возрастет.

А еще столь мощные пучки позволяют создать достаточно плотные и пучки вторичных частиц: поляризованных протонов и тепловых, холодных и ультрахолодных (с очень малой энергией) нейтронов, пучки пи-, ка-, и мю-мезонов (отсюда, видно, и родилось название «мезонные фабрики»), различных сортов нейтрино.

Схема получения мезонных и нейтринных пучков такова. При бомбардировке свинцовой мишени протонами рождаются пи- и ка-мезонные пучки, они фокусируются мощными магнитами и формируются в пучок, направляемый в нейтринный распадной канал. Там пионы распадаются на мюоны и нейтрино. Мюоны заворачиваются магнитным полем в мюонный экспериментальный зал.

Распадной канал заканчивается многометровой железной и земляной защитой. Она не пропустит ни одной частицы, кроме всепроникающих нейтрино, которые устремятся в особый нейтринный экспериментальный зал.

Так создается расходящийся веер пучков разной природы. Все это позволяет вести большое число (до 10-15!) экспериментов одновременно.

Космический рентген

Постоянное дело мюоны получат через несколько лет, а вот аккордную работу эти частицы выполняли уже не раз. Об этом стоит рассказать.

Начнем с вопросов. Сколько весит столичная гостиница «Москва»? Или, допустим, Большой театр? Праздные вопросы? Но что, если под этими сооружениями необходимо пробить туннель метрополитена? Ведь тут надо точно знать, с какой силой то или иное здание-махина давит на грунт, то есть его необходимо взвесить и вес разделить на площадь опоры.

Что же делать? Как подступиться к этой необычной проблеме? Не высчитывать же порознь вес отдельных элементов здания и всей его «начинки».

Задача трудная, но разрешимая. И выручили тут людей… космические лучи. А точнее, наши знакомцы мюоны.

Прорываясь через земную атмосферу, первичное космическое излучение по ходу порождает ливень самых разных элементарных частиц, в том числе и мюоны. Они слабо взаимодействуют с веществами и потому способны проникать в глубь Земли на километры. Так и получается своего рода космический «рентген» для просвечивания земных пород, инженерных сооружений, да и того же Большого театра.

Приборы, которые используют для подобных измерений, уже созданы, они получили название «мюонных телескопов». В каждом несколько параллельных рядов счетчиков, фиксирующих мюоны, летящие в строго определенном направлении.

Итак, все готово для измерений. Под изучаемым объектом надо прорыть штольню и установить там мюонный телескоп. И измерить интенсивность дошедшего до счетчиков излучения. Чем больше плотность объекта, тем меньше мюонов дойдет до телескопа.

Так и поступили, когда потребовалось взвесить гостиницу «Москва». Она, как оказалось, весит 45 тысяч тонн и давит на грунт с силой 1,1 килограмма на квадратный сантиметр.

Мюонная диагностика проявила свои лучшие качества и когда под Москвой, недалеко от города Пущина-на-Оке, сооружался крупнейший радиотелескоп АН СССР «РАТАН-600». Дело было трудным: породы под выбранной для телескопа площадкой представляли хаотическую смесь из песка, глины, гальки, крупных и мелких валунов. Кроме того, близко к поверхности подходили подземные воды. Пришлось пробурить в грунте два десятка скважин: в каждую на глубину 10 метров поставить малогабаритные мюонные телескопы. И невидимые частицы «выписали» своего рода геологический разрез площадки.

Космический рентген на мюонах помогает решить и многие другие проблемы. Так, можно обнаружить пустоты в горных массивах (поток регистрируемых частиц, найдя пустоту, сразу возрастает). Такие каверны часто возникают на эксплуатируемых месторождениях полезных ископаемых. И следить за ними надо очень зорко, иначе неизбежны обвалы-аварии.

Мюоны помогают и при разведке полезных ископаемых. Сотрудники Московского геологоразведочного института отладили методику обследования в горах залежей полиметаллических месторождений. Здесь уже работают несколько независимых мюонных телескопов, прощупывающих твердь по разным зенитным и азимутальным направлениям.

Перечень возможностей для использования в земной практике космических лучей довольно велик. Прибавим еще, что археологи пытаются с их помощью обнаружить погребальную камеру в пирамиде Хефрена.

Конечно, не только мюоны, но и другие элементарные частицы могут быть задействованы в космическом рентгене. В геологии большие надежды возлагаются на разведку недр с помощью нейтронов. Хотят воспользоваться тем, что некоторые химические элементы — например, вольфрам — активно поглощают медленные (холодные) нейтроны. Поэтому по ослаблению энергии пучка нейтронов можно обнаружить в породах даже малые примеси таких элементов.

Ученые надеются использовать для «просвечивания» огромных масс земной поверхности и потоки нейтрино.

Так можно определять месторождения полезных ископаемых — нефти и металлов, познавать глубинную структуру нашей планеты.

Он, Она и пи-мезон

У создаваемых на мезонных фабриках пучков нейтронов, мезонов и нейтрино — забот будет по горло. Ученые получат новый инструмент для исследований, прикладники — полигон для испытания новейших технологий, возможность на качественно новом уровне решать народнохозяйственные задачи.

Перечислить все направления работ затруднительно, поэтому будем рассказывать лишь о тех задачах, которые можно решить с помощью мюонов, этих «трутней» мироздания.

Мюонные пучки высокой плотности позволят, видимо, покончить со старой, почти сорокалетнего «возраста», проблемой «мюон — электрон». Физики смогут изучить теперь все детали превращений (слабые силы) мюона в электрон.

Мюонами очень интересуются и химики. Они хотят исследовать свойства мюония, химического двойника атома водорода.

Физик-теоретик академик Л. Ландау одним из первых предположил, что замедлившийся положительно заряженный мю-мезон может оторвать от какого-нибудь атома слабо «привязанный» внешний электрон — так образуется атом мюония. От водорода он отличается тем, что его ядро — не протон, а мезон, и еще тем, что мюоний, как и мезон, живет только миллионные доли секунды.

Если мюоний очень похож на водород, рассуждают химики, то он должен участвовать почти во всех тех же химических реакциях, что и водород. И с его помощью, регистрируя распады мюония, можно определить ход и особенности быстрых стадий во многих реакциях, идущих с водородом.

Так родилось новое направление исследований — химия мезонов, или мезохимия. Оно очень перспективно, так как почти 90 процентов всех реакций в технологических процессах идет с участием атомарного водорода.

Интенсивные пучки мезонов найдут применение в физике металлов, кристаллов, полупроводников. Дело в том, что, попадая в вещество, мгооны взаимодействуют с магнитными полями отдельных атомов. Позже мюоны распадаются, а спин возникающего в результате распада электрона будет направлен так, как если бы он «помнил», в каком окружении распался мюон. Так можно очень точно узнать внутреннее устройство веществ…

Скорее всего где-то к 2000 году мезонные фабрики перестанут быть редкостью. И тогда ими наверняка заинтересуются кинодеятели. Им покажется заманчивым — новинка! — создать художественный фильм с таким, скажем, названием: «Он, Она и пи-мезон».

Автор сценария будет долго выбирать профессию для главных героев. Он? Конечно же, физик. Теоретик или экспериментатор? Будет над чем поломать голову! Ну а Она? Может, сделать ее математиком-программистом, работающим в Вычислительном отделе?! Нет, для создания желанного контраста пусть героиня (молодая красивая блондинка) будет работать совсем в другом месте. И даже в другом городе. А на мезонную фабрику ее приведет профессия врача-онколога. Ведь ее непременно должна заинтересовать новейшая терапия рака — ионными пучками. Там, в экспериментальном пионном зале, наши герои и встретятся в первый раз…

Дальнейшее развитие киносюжета оставим на усмотрение сценариста, его буйной фантазии, а сами слегка затронем действительно замечательные перспективы по использованию пучков отрицательных пионов для лечения рака.

Опухолевые клетки можно разрушать многими видами излучений. Но, к сожалению, при этом в равной мере выводятся из строя и здоровые клетки. Беда в том, что рентгеновские лучи или, допустим, пучки электронов равномерно ионизируют всю ткань, через которую они проникают к опухоли.

Иное действие у тяжелых заряженных частиц — протонов и пи-мезонов. Эти выделяют основную часть своей энергии и производят поражение клеток лишь в конце своего пробега. Варьируя энергию этих частиц, можно быть точно уверенным, где и какие клетки будут уничтожены. Например, протон с энергией 100 МэВ проходит в теле человека около 10 сантиметров пути, и на двух последних сантиметрах протоны отдают на ионизацию половину всей своей энергии.

Однако еще более действенны пионы. Замедляясь в ткани, отдавая ей равномерно свою кинетическую энергию, они в конце пробега захватываются атомами. В результате атом испытывает ядерное превращение и выделяет немалую энергию, равную массе пиона — примерно 140 МэВ.

Если захват пиона произошел в ядре больной клетки, то ядро разрушается и клетка теряет способность к размножению, к дальнейшему делению. Если же при пионном «выстреле» захват произошел в клеточной протоплазме, то и тогда образовавшиеся в большом количестве ионы также разрушат раковую клетку.

По следам Колумба

Мы, несомненно, находимся в начале новой эры тончайшей техники, в которой человек начнет манипулировать тем, что сейчас условно называется элементарными частицами.

Некоторые физики высказывали предположение, что ведущая роль в науке сейчас переходит к биологии. Допустим, так. Но прогресс самой биологии немыслим без наличия сверхчувствительных физических приборов.

Без них биология будет топтаться на месте.

Говорят, Тамерлан, желая оценить число захваченных им в сражении пленных, приказал всем им отрубить головы, а затем эти головы пересчитать. Примерно так же ведут себя часто и биологи. Они буквально жгут, режут, кромсают живую клетку, рвут ее на части, куски, и все это для того, чтобы понять, как это она функционирует.

До зарезу необходимы новые, деликатные методы диагностики процессов в биологических объектах; и физики уже создают их. Так, нейтроны, например, могут многое рассказать о живой материи. В отличие от электронного микроскопа, который показывает строение мертвых, препарированных клеток, нейтронный пучок позволяет заглянуть в живой организм без опасений разрушить его ткани или нарушить его нормальную работу.

С помощью нейтронов уже изучаются иммуноглобулины — внутриклеточные структуры, которые выводят из организма вредные вещества. Задача этих исследований — разобраться в механизме иммунной защиты.

А теперь поговорим о диагностике технической. Тут физики пустили в оборот даже… антивещество!

Речь пойдет о позитроне, этом антиблизнеце электрона. Из-за аннигиляции с электроном позитрон живет недолго — 10-10 секунды. Но жизнь его можно существенно продлить, если позитрону удастся стать позитронием, искусственным атомом, схожим с водородом (в нем протон заменен позитроном).

Время жизни позитрония — 10-7 секунды, значит, можно отличить развал позитрония от простой аннигиляции позитрона. А тут уже недалеко и до особой позитронной диагностики самых различных материалов — можно устанавливать в них присутствие дефектов, полостей, разрывов (попадая в них, позитроний, словно мячик, начинает отскакивать от стенок, и это удается зарегистрировать).

Разработали позитронную диагностику молодые сотрудники Московского инженерно-физического института (МИФИ). Они создали установку «Пика», фиксирующую время жизни позитронов. И были удостоены за это премии Ленинского комсомола.

Элементарные частицы осваивают самые разные профессии, и только нейтрино долго отлынивал от работы: его «нелюдимость», «некоммуникабельность» всем известны! Но теперь и это положение меняется.

Реактор атомной электростанции — мощный источник нейтрино. Это излучение несет информацию о многом.

Во-первых, о том, с какой мощностью работает реактор, во-вторых, но излучению нейтрино можно судить, с какой интенсивностью «выгорает» уран и накапливается в реакторе плутоний.

В таком «нейтринном свете» с помощью приборов, находящихся далеко за толстыми бетонными стенками реактора, можно судить о происходящих в реакторе процессах. Такая специальная нейтринная лаборатория создана недавно на Ровенской АЭС на Украине.

На глубине 13 метров под атомным реактором собран первый нейтринный детектор: бак из прозрачного пластика, наполненный 25 литрами жидкого сцинтиллятора — вещества, светящегося под действием попадающих в него нейтрино…

Этот дебют нейтрино в технике обнадеживает. А в будущем ученые надеются, что нейтрино будут использованы для связи. Тут очень пригодится их способность к всепрониканию. Необходимо лишь создать компактные и очень чувствительные нейтринные передатчики и приемники. А передачи можно будет вести без всяких там кабелей, волноводов, а непосредственно сквозь земной шар!

Дерзкое стремление физиков прорваться в Неразгаданное очень напоминает экспедиции X. Колумба. Клянча дублоны и пиастры у испанского короля, банкиров и андалузских купцов, X. Колумб совершенно не подозревал, что готовит ему судьба. Опираясь на неверные расчеты ученых-географов, он искал кратчайший путь в Индию. Искал Индию — нашел Америку!.. И физики, пытаясь разгадать законы микромира на кварк-лептонном уровне, также могут совершенно неожиданно открыть новую эпоху в Технике и Технологии.

Инженеры торопят физиков, и те охотно идут им навстречу. Еще совсем недавно ускорители были привилегией физиков-экспериментаторов, а теперь ряд промышленных ускорителей (естественно, малогабаритных) справил новоселье на многих крупных машиностроительных предприятиях. К примеру, на Ижорском заводе в Ленинграде линейный ускоритель электронов выступает в роли дефектоскопа, контролирующего качество оборудования для будущих атомных электростанций. Новой, «ядерной» техникой интересуются также судостроители, гидроэнергетики и другие специалисты.

История появления у нас в стране промышленных ускорителей такова. Дело начал академик Г. Будкер (1918–1977). В 1958 году он организовал в Сибирском отделении АН СССР Институт ядерной физики (ИЯФ).

И тут же стал упорно искать немедленных приложений, использования всею того, что знал и умел молодой институт, к сегодняшним насущным проблемам народного хозяйства. Так и возникли установки по виду довольно скромные (электронные ускорители с мощностью от нескольких киловатт до мегаватта и энергией электронов от сотен киловольт до нескольким МэВ), не поражающие воображение ни своими размерами, ни энергией частиц.

Что дают эти устройства?

Различные виды излучений. И спрос на эту необычную продукцию во всех промышленно развитых странах очень велик и растет — на 15 процентов в год! А общая мощность излучения, потребляемого сегодня в мире в технологических целях, уже превышает десятки МВт.

Так подтверждается тезис К. Маркса о том, что «всякое открытие становится основой нового изобретения или нового усовершенствования методов производства».

Стоит сразу же подчеркнуть, что физики (головным в этих вопросах является ИЯФ, его директор академик А. Скринский, ученик и сподвижник Г. Будкера, большой энтузиаст промышленных ускорителей) не разрабатывают те или иные конкретные технологические процессы. Они дают мощные и удобные источники излучений. А как их использовать конкретно — забота прикладников, у которых с физиками давно сложились плодотворные связи. Из Москвы, Минска, Одессы и многих других городов Союза едут в Новосибирск люди, чтобы получить консультацию или наладить полезный контакт.

Профессии промышленных ускорителей разнообразны.

Одно из главных достоинств радиационной технологии в том, что она позволяет придавать традиционным материалам качественно новые свойства. Так, в потоке разогнанных электронов резина претерпевает удивительные метаморфозы: становится гораздо прочней. Ускорители помогают улучшать свойства древесины, всевозможных пластмасс, оболочек электрических кабелей, проводов (в электротехнической промышленности на базе сибирских разработок уже создано 14 технологических линий, а экономический эффект от радиационной обработки кабельных изделий превысил 100 миллионов рублей).

Ускорители позволили разработать новую технологию производства цемента. Поток ускоренных электронов как бы подстегивает физико-химические реакции во всем объеме облучаемого материала. И на образование цементного клинкера теперь уходит всего 10 секунд. Процесс идет в сотни раз быстрее! А главное — отпадает нужда в громадных вращающихся печах, должны исчезнуть и вредные выбросы в атмосферу.

Промышленные ускорители можно с успехом использовать для сварки, резки и плавки. С их помощью можно обеззараживать сточные воды крупных животноводческих комплексов. Обрабатывать клубни картофеля, чтобы замедлить прорастание при его длительном хранении. Радиация может уничтожать амбарных вредителей, зарящихся на запасы пищевого зерна.

Долго пришлось бы перечислять все те области, где радиация уже работает или намеревается поработать.

А на подходе уже новое поколение промышленных ускорителей, поколение, предлагающее еще более эффективное средство — синхротронное излучение электронных накопителей. Тут будет генерироваться на много порядков более мощное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. Вот как характеризует его А. Скринский:

«С помощью синхротронного излучения биологам впервые удалось увидеть, как изменяется структура живой мышцы в процессе сокращения. Химикам оно помогает исследовать механизм каталитических реакций. Физики уже убедились, что смогут теперь детально изучить причины структурных искажений в металле, процессы горения и динамику превращений в полимерах. В электронной промышленности это излучение позволяет перейти к производству интегральных микросхем с субмикронными размерами рабочих элементов. Отсюда — возможность разместить на том же участке кристалла в сотни раз больше элементов, соответственно выиграв в производительности и эффективности электронных устройств…»

X. Колумб искал Индию с ее несметными сокровищами: бриллиантами, алмазами, золотом. Позднее потомки X. Колумба — конкистадоры — искали в Америке Эльдорадо — страну сказочного богатства и чудес. Сооружая все новые ускорители, познавая новые тайны микромира, физики надеются найти свое эльдорадо — энергетическое.

Заем под большие проценты

Глубоко неправы те, кто считает, что исследования элементарных частиц якобы подчиняются «закону убывающего плодородия». В одном из обзоров Л. Окунь обсуждает необходимость всемерных поисков новых стабильных тяжелых частиц. И добавляет: «Открытие «месторождения» отрицательно заряженных тяжелых частиц могло бы иметь не только научный интерес. Оно могло бы совершить переворот в энергетике… Если бы удалось найти хотя бы несколько килограммов Х-частиц, то это могло бы решить нее энергетические проблемы человечества».

Да, энергетическая проблема после борьбы за мир самая для человечества важная. И решить ее могут только физики. И кто знает, может, со временем слова «кварковая энергетика» станут такими же привычными, как сейчас слова «энергетика атомная»!

Детали, подробности того, как может быть по-новому решена энергетическая проблема, пока неясны. Точно так же можно стоять перед закрытым сейфом и, зная, что там спрятаны большие деньги, не знать той комбинации цифр, которая ведет к богатству.

Это будущее. А сейчас перед физикой стоит вполне конкретная задача обуздать термоядерный синтез.

Проблема эта уже давно разрешена природой. Солнечный реактор работает уже около десяти миллиардов лет. На Солнце плазму в узде держат силы тяготения.

Чем их заменить в земных условиях?

В 1950–1951 годах в СССР и одновременно в США была высказана ставшая ныне широко известной мысль — использовать для удержания плазмы магнитное поле. Эта идея была быстро реализована. Казалось, термояд вскоре удастся запрячь в энергетическую упряжь.

Не тут-то было! Академик Л. Арцимович, создатель «Токамаков», проложивших путь бурному прогрессу в этой области, недаром любил повторять такую присказку:

«Термоядерная энергия — это одноколесный велосипед: все знают теоретически, что на нем можно ездить, но на практике все падают».

Вот уже три десятка лет сражаются с термоядом физики всей планеты. Уж сколько раз энтузиазм сменялся унынием. Сейчас работа идет по многим направлениям: к делу привлекаются и лазеры, и электронные, и ионные пучки частиц. Но все эти подходы к термоядерному синтезу можно сравнить с лобовой атакой. А нет ли обходных путей?

Есть! Это катализ реакций ядерного синтеза с помощью мю-мезонов.

Дело вот в чем. Отрицательно заряженные мюоны могут замещать в атомах электрон, образуя мезоатомы.

Мезоны в две сотни раз тяжелее электронов, поэтому мюонные «орбиты» расположены очень близко к ядру.

Особенно интересны свойства мезоатомов водорода и его изотопов дейтерия и трития. Тут заряд ядра полностью «экранируется» зарядом мезона. Получается нечто электрически нейтральное, подобное нейтрону. Как следствие, мезоатом водорода «свободно» проникает через электронные оболочки атомов, может подходить на близкие расстояния к ядрам, может стать катализатором ядерных реакций.

Здесь начинаются тонкости катализа, и в подробности того, как можно было бы осуществить термоядерный синтез с помощью мюонов, мы не будем вдаваться. Укажем лишь на преимущества нового подхода перед «классическим термоядом».

Тут, оказывается, не нужны температуры в десятки миллионов градусов, не нужны и хитроумные магнитные поля. Мезонный реактор представляет собой просто сосуд с газом — смесью дейтерия и трития, в который впрыскиваются мюоны.

Размеры сосуда зависят от давления газа, и при давлении в десятки атмосфер диаметр реактора составит около десяти сантиметров. Карманный реактор?!

Да, и на его основе можно было бы, к примеру, сделать термоядерный автомобильный двигатель!..

В чем состоят трудности такого «холодного термояда»? Только в том, что пока нет дешевого источника мю-мезонов. И он должен быть не только экономичным, но, главное, компактным, не то что используемые сейчас гиганты — ускорители. (Минимальная энергия, необходимая для получения мюонов, — 100 МэВ.)

Так вновь — в который раз! — мы убеждаемся, что исследования физики элементарных частиц хотя и требуют от человека порой немалых жертв, но со временем могут окупиться сторицей. И идущие на них большие средства — это заем под большие проценты.

И близоруко было бы толковать только о непосредственной отдаче, лишь о научно-исследовательских разработках, которые с большим экономическим эффектом могут быть уже сейчас внедрены в народное хозяйство.

Тут надо помнить о том, что микрофизика как главная из фундаментальных наук создает опережающий потенциал, запас новых понятий, идей, представлений, методов, которые впоследствии будут обязательно использованы другими науками, прикладниками, войдут в философское понимание общей картины мира.

Заключение

Сегодня перед рассветом я взошел на вершину горы и увидел кишащее звездами небо. И сказал моей душе: когда мы овладеем всеми этими шарами Вселенной, и всеми их усладами, и всеми их знаниями, — будет ли с нас довольно? И моя душа сказала: «Нет, этого мало для нас. Мы пойдем мимо — и дальше!»

Уолт Уитмен.

Вот и закончилась для нас с вами, читатель, охота за кварками. Мы прошли тропами, проложенными физиками, познакомились с тем, как охотятся физики-экспериментаторы и физики-теоретики, познали приемы этой необычной охоты, разглядели диковинное вооружение физиков, узнали о целях физической охоты, ее удивительных законах, ее ценных трофеях.

Подобно Уитмену, мы тоже взошли на вершину — вершину достижений физики микромира — и сейчас можем спокойно оглядеть окрестные дали.

Мы видим залитые солнцем синеющие бескрайние просторы, видим и далекие, еле различимые, то окутанные завесой тумана, то окрашенные белизной вечных снегов вершины, еще более высокие, чем та, на которой мы стоим. Бесстрастная природа простерлась перед нами во всей своей величавости и красоте.

«…На этих нескольких страницах мы попытались дать возможность неспециалисту почувствовать состояние, в котором находится физика элементарных частиц. Оно не сильно отличается от того, которое наблюдаешь, сидя в концертном зале перед началом концерта. На сцене уже появились многие (но не все) музыканты. Они пробуют свои инструменты. Иногда можно услышать ряд интересных музыкальных пассажей; отовсюду раздаются импровизации; иногда слышны и неправильно взятые ноты. Над всем этим нависло чувство ожидания того момента, когда раздадутся первые звуки симфонии…»

Так закончил свой обзор текущих событий в науке один зарубежный физик. Так — как ожидание чарующей, пленительной музыки — представляет он себе результаты уже ближайших достижений микрофизики. К этим прекрасным словам — словам физика! — хотели бы присоединиться и мы.

Книга закончена, но охота за кварками продолжается!

Физики-охотники не могут остановиться на полпути.

Когда закончится эта охота? Трудно сказать. Скорее всего окончательно разгадать тайны кварков дано будет лишь следующему поколению ученых. Молодежь, новая смена физиков, те, кто сидит сейчас за школьными партами и, может, пока ничего о кварках не знает, вероятно, именно они расколют наконец кварковую скорлупу. Этих пытливых удачников ждут и другие, еще более удивительные открытия и свершения.

Они пойдут, как выразился поэт, «мимо — и дальше!».

Content

Юрий Георгиевич Чирков
Охота за кварками

Введение

1. Элементарная неэлементарность

Демокрит

Диспут в Париже

Дальтон

Неделимое — делимо!

Из пушек — по воробьям

«Зоологический» период

Джойс

В изложении для пешеходов

Омега-минус-гиперон

2. Ядерное сафари

Золотыми буквами

Опыт Милликена

Подобно «гробу Магомета»

Следы невиданных зверей

С мышеловкой на слона

Приборы отбились от рук

Поиск ведут кварколовы

Космические разбойники

Приметы придуманы сыщиком

3 В поисках простоты

Простота, простота и еще раз простота!

Нити в гобелене

Великое, затем — суперобъединение

Дрожанье хаоса

Сколько тебе жить, протон?

Как иголку в стоге сена

Эксперимент века

«Калибровочная» пустыня

4 Сколько у природы законов?

«И с физикой будет покончено»

Перекличка поэтов

Теорема Гёделя

Унификаторы и диверсификаторы

Нужны Ломоносовы, требуются Менделеевы!

«Там — дальше — новый Круг»

Через тысячи лет…

5 Гармония атомных сфер

Великолепная семерка

Конструирование вселенных

Подобное неподобно

Ветерок рушит скалы

Большой Взрыв

Наш лучший из миров!

«Сфинкс засмеется и жизнь на Земле иссякнет»

6 Блудные сыны науки

О добрых старых временах

Дитя века телевидения

Скитающийся на чужбине

Лаборатория — в авторучке

Андрей Линде

Нечто по имени Ничто

…Вселенная тогда клокотала, как кипящий чайник

7 Странности странного мира

Поди туда — не знаю куда

Самолет плюс бабочка

Частицы со странностью

…И посрамил черта

Играет ли бог в кости?

Кварки становятся цветными

Семантический салат

Искусство потрясти аудиторию

Квантовая шапка-невидимка

8 Слон в кастрюле

Игра в матрешки

Дальше в лес — больше дров

Кит на воде, вода на ките

«Демократы» против «аристократов»

Горбушка тяжелее буханки

Дефект масс

Максимоны

9 Вселенная в электроне?

«Там та же мировая спесь»

Эстафета великих открытий

Проделки гравитации

Путешествие с демоном

Огромное — мало, малое — огромно

10 Пирамиды XX века

Микроскопы микромира

Времена одиночек прошли

«Кого ты больше любишь — маму или папу!»

Эксперимент активный и пассивный

Белая ворона микромира

Партоны: кто следующий!

11 Инженеры торопят физиков

Ускоритель частиц — на вашем столе!

Деликатесы и хлеб насущный

Мезонные фабрики

Космический рентген

Он, Она и пи-мезон

По следам Колумба

Заем под большие проценты

Заключение