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 какомто 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 коридортуннель, 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 щиг 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 трудноош..."
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.