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 экспериментпзма". Она утверждает главенствующую роль эксперимента. В свое время экспериментпсты доказывали, что вся теория относительности целиком выросла in одиого-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 созданi:о и 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 своп 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: