Пожалуй, только охотник может понять чувство физика-экспериментатора, когда ему на глаза попалось описание примет новой частицы. Со старой берданкой сюда не сунешься. В путанице следов частиц на фотографиях прятался чрезвычайно редкий «зверь». И охота началась, как только была подготовлена вся необходимая снасть.
Протоны, ускоренные большим синхротроном, в результате сильных взаимодействий с ядром мишени образовывали пучок отрицательных К-мезонов. Каждые несколько секунд тщательно изолированный пучок, содержащий около десятка К-мезонов, попадал в пузырьковую камеру, где мезоны взаимодействовали с протонами (ядрами атомов водорода, который в жидком состоянии заполнял камеру).
Без сложного анализатора, работающего при помощи электронной вычислительной машины, вряд ли удалось бы отыскать среди 100 тысяч сделанных фотографий те две, на которых зафиксировано рождение омеги-частицы. Тщательное измерение и расчеты позволили установить, что вновь открытая частица и есть разыскиваемая омега-минус. Ее масса отличается от предсказанной менее чем на один процент.
Успех новой теории придал ученым смелость, и они предположили на ее основе существование еще трех частиц. Когда Гелл-Манн назвал свойства этих частиц, его коллеги пришли в изумление: две из них должны иметь заряд, составляющий треть электрического заряда электрона, а одна – две трети. Но ведь до сих пор электрический заряд электрона считался элементарным! Он был чем-то вроде эталона, мерила электрических зарядов микрочастиц. Недаром он был принят за единицу. И вот... восьмиступенный путь завел ученых в область электрического поля за пределами элементарной единицы измерения.
Это было очень дерзкое предсказание. Новые частицы Гелл-Манн назвал почему-то «кваками» (циаг), сославшись на строчку одного из романов Джойса со стр. 383. Многие теперь пишут и говорят «кварки», выговаривая «р», хотя правила английской грамматики это запрещают. Почему кваки и почему 383 – непонятно. То ли это намек на «треть – восьмипутка – треть», то ли просто озорство – почему бы даже серьезному ученому не выбрать название, которое укажет ему первая попавшаяся страница книги?
Ученые, наверно, не стали задумываться над такими пустяками, даже если им и не был известен секрет кваков. Не теряя времени они тотчас приступили к поискам новых частиц на Брукхевенском ускорителе. Для начала они решили обнаружить частицы с зарядом в одну треть от заряда электрона, как наиболее отличающимся от единицы. Но... опыт однозначно показал, что таких частиц не существует. Однако физики, как всегда, не были в своем заключении категоричны. Они только утверждают, что если такие частицы и существуют, то они должны иметь массу более чем две или три массы протона, а для создания частиц с такой массой не хватает мощности всех работающих в настоящее время ускорителей.
Так что на пути обнаружения кваков возникло чисто техническое препятствие, но это физиков не обескуражило. Их чаще радует не мгновенный успех, а то, что в какой-то момент выводы теории не совпадают с экспериментом. Значит, это место требует особого внимания, острой бдительности. Здесь надо ждать открытий!
Магические числа
Поразительное подтверждение предсказаний теоретиков вовсе не свидетельствует о благополучии в теории элементарных частиц. Здесь далеко не все в порядке. Пока это первые шаги в полутьме. Пока, изучая частицы, ученые пытаются сортировать их по признакам, свойствам, стараются их классифицировать. Но классификация – это ведь только вторая стадия познания. Сначала накапливаются факты. Потом делаются попытки их систематизировать, чтобы понять скрытые за ними закономерности. Только тогда, когда эти попытки систематизации оказываются удачными, возникает на ее основе надежда сформулировать объективный закон природы.
Так было и с периодической системой Менделеева, которому удалось обнаружить, что при расположении элементов по возрастающим атомным весам некоторые свойства их периодически повторяются. Менделеев не мог сказать, почему они повторяются, но, выявив эту закономерность и обнаружив, что в некоторых случаях она нарушается, он смог предсказать существование неизвестных в то время элементов. Элементов, само существование которых с неизбежностью вытекало из открытого им периодического закона. Они должны были существовать, если найденный закон верен.
Как известно, эти элементы впоследствии были обнаружены и заполнили пустующие клеточки в замечательной таблице. Это было триумфом науки.
Однако открытие закона еще не объяснило, почему этот закон существует, отчего появляется периодичность свойств, почему основной период равен 8, и почему существуют так называемые большие периоды, и отчего есть явное нарушение закона в семействе редких земель, состоящем из 18 различных элементов, которые пришлось поместить в одну клетку таблицы Менделеева (впоследствии такое же нарушение было обнаружено в семействе урана). Закономерность, лежащая в основе периодической системы Менделеева, была раскрыта только квантовой теорией атомов.
Примерно так же развивается сейчас теория элементарных частиц. Мы все еще находимся в стадии накопления фактов и более или менее удачных попыток их систематизировать. Существующие теории, в том числе и замечательный восьмиступенный путь, – только более или менее сложные вычислительные приемы. Никто не может сказать, как в дальнейшем будет развиваться теория.
Естественно ожидать, что сверхмощные ускорители, строящиеся в различных странах, позволят выявить новые неизвестные еще формы симметрии, установить новые сохраняющиеся величины, обнаружить новые частицы.
Уже при современном развитии техники эксперимент обгоняет теорию. Много новых частиц было открыто случайно. Все предсказанные теорией частицы удавалось обнаружить, и разрыв во времени между предсказанием и обнаружением все стремительнее уменьшается.
Но теория все еще напоминает некие шаманские обряды. Она основана не на глубоком понимании, а на почти интуитивном установлении неких правил, определенных операцией с индексами и числами, которые вполне заслуживают наименования магических.
Магические числа уже сыграли большую роль в построении деталей протонно-нейтронной модели ядра. Из опыта известно, что особенно устойчивыми являются ядра, содержащие вполне определенные количества протонов и нейтронов. Эти количества определяются числами 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Любая теория ядра, претендующая на достоверность, должна объяснить этот опытный факт.
Изящная «оболочечная модель», предполагающая, что ядерные частицы группируются в оболочки, отчасти родственные электронным оболочкам, приводила к числам 2, 8, 20, 40, 70, 112. Совпали только первые три числа, и это потребовало существенного уточнения теории.
Как здесь не припомнить пифагорейцев с их музыкой чисел, управляющей судьбами миров и людей!
Небольшие простые числа, выражающие квантовые законы сохранения, позволили создать новую, более четкую классификацию восьми десятков частиц, подверженных сильным взаимодействиям. Некоторые свойства частиц определяются не непосредственно квантовыми числами, а их комбинацией. В этом случае для упрощения записей пришлось прибегнуть к буквенным обозначениям – каждая из греческих букв заменяет определенную комбинацию квантовых чисел. Новая классификация позволяет расположить все известные сейчас частицы в четком порядке, который, в свою очередь, полезен в сложном процессе «предсказания» неизвестных еще частиц. В связи с тем, что для новой классификации избраны греческие буквы, некоторые частицы пришлось переименовать, так как большинство ранее известных частиц было обозначено тоже буквами греческого алфавита. Например, ка-частица стала каппа-частицей. Интересно, что в новой классификации греческие буквы расположены не по алфавиту, а совершенно хаотически. Иначе и быть не могло. Ведь первоначальные наименования давались частицам по мере их открытия и в соответствии с прежними воззрениями или даже по прихоти первооткрывателя. Естественно, что после создания новой классификации были две возможности: примириться с этим несущественным хаосом или переименовать заново большинство частиц. Переименование обеспечило бы порядок в таблицах, но потребовало бы переучивания и запоминания новых названий. Оно могло привести к путанице и недоразумениям, и ученые избрали хаос.
Простые числа, связанные между собой простыми соотношениями и не вполне осознанными правилами, позволяют, как мы видели на примере восьмиступенного пути, на основе свойств известных частиц предвидеть некоторые свойства неизвестных, например их массу, заряд, странность и другие. Но никто не может сказать, почему электрические заряды частиц всегда одинаковы и различаются лишь знаком или равны нулю. До сих пор никто не может сказать, завершен ли список микрочастиц, или нам предстоят новые открытия. Никто не может определить, какие из них элементарны. Неясно, какие частицы считать элементарными, какие сложными.
Опыт последних лет заставил ученых склониться к мысли о том, что ни одна из частиц, подверженных сильным взаимодействиям, даже совершенно устойчивый протон, не является действительно элементарной. Возможно, все они, так же как и ядра атомов всех элементов, являются лишь различными состояниями единой формы (сильно взаимодействующей) материи.
Правда, часть ученых все же продолжает считать протон элементарной частицей, а остальные сильно взаимодействующие частицы его детищами. Но отстаивать эту точку зрения становится все труднее.
Против нее эффективно борется новая гипотеза, известная под названием гипотезы «сапожных шнурков». Это название связано с тем, что в основе гипотезы лежит сложное переплетение свойств барионов, которое при графическом изображении может вызвать ассоциацию со шнуровкой ботинок.
В этой области у ученых есть очень интересные предположения.
Представьте себе, что быстрый нейтральный пион столкнулся с протоном. Что явится результатом этого взаимодействия? Физик скажет – протон и нейтрон. Не противоречит ли это закону сохранения вещества, ведь протон и нейтрон много тяжелее, чем протон и пион? Нет, не противоречит. Ведь еще Эйнштейн доказал, что энергия тоже обладает массой и при подведении баланса нужно ее учитывать. Здесь, в процессе столкновения, произошло превращение энергии движения пиона в недостающее вещество.
Можно ли на основании этой реакции считать какую-либо из участвующих в ней частиц элементарной? Ясно, что ни нейтрон, ни пион не заслуживают этой чести. Нейтрон здесь как бы родился из пиона и его энергии. А в обратной реакции – столкновении протона с нейтроном – пион рождается из нейтрона. Может показаться, что протон, остающийся здесь неизменным, элементарен. Но столкновение нейтрона с положительным пионом, очень похожее на только что описанное, приводит к «рождению» протона, а «сохранится» при этом нейтрон.
Множество таких примеров заставило физиков предположить, что ни одна из частиц, подверженных сильным взаимодействиям, не является простой, а значит, их нельзя считать элементарными.
Физики предполагают, что и протон и нейтрон и другие родственные им частицы состоят из чрезвычайно малого ядра (которое для отличия от ядра атомов иногда называют немецким словом керн), окруженного облаком пионов (частиц, являющихся носителем сил, удерживающих протоны и нейтроны внутри атомных ядер). Если это положительные пионы, мы имеем протон, если они нейтральны – образуется нейтрон, если отрицательны – антипротон.
Имеются основания считать, что и другие тяжелые частицы – барионы состоят из керна и пионов, но отличаются лишь запасом внутренней энергии. Чем больше эта скрытая энергия, тем тяжелее частица.
Более того, диаметр атомного ядра оказывается очень близким к диаметру одиночного протона или нейтрона. Мы привыкли считать, что в ядре атома урана-238 содержится 92 протона и 146 нейтронов. Но можно ли действительно считать, что они там содержатся, если размеры ядра в двести раз меньше того, что получается при простом сложении? Не правильнее ли думать, что в ядре нет индивидуальных частиц и что ядро есть просто одно из состояний сильно взаимодействующей материи?
Всем ясно, что новая теория элементарных частиц должна объяснить все это, должна ответить на вопрос, почему существуют микрочастицы, почему они именно таковы, какими мы их знаем, как связаны формальные законы симметрии, выражаемые странностью или восьмиступенным путем с физической симметрией природы.
Современная теория объяснить это бессильна. – При ответе на эти вопросы мы попадаем в парадоксальное положение, – откровенно признается член-корреспондент Академии наук СССР Д.И. Блохинцев. – Дело в том, что при достигнутой сейчас точности измерений физик-экспериментатор нигде не находит противоречий с принципами теории относительности или квантовой теории. В то же время физик-теоретик имеет основание подозревать принципы современной теории в ограниченности.
Многие ученые ломают голову над построением новой теории, но никто не нашел даже надежных путей подхода к этой задаче.
Достаточно ли это безумно?
Был недавно момент, когда казалось, что наметился кое-какой просвет в этом «темном» деле. Появилось два метода, которые обещали раскрыть законы жизни элементарных частиц. Ученые называют эти методы фамильярно: «дисперсионщиной» и «реджистикой». Метод дисперсионных соотношений разработали советский математик Н.Н. Боголюбов, увлекшийся теоретической физикой и избранный директором Объединенного института ядерных исследований, и американец М. Гольдберг. Второй предложил итальянский физик Редже. Оба метода позволяют на основании экспериментальных данных о существовании частиц предсказать кое-что о характере их взаимодействия. И наоборот – располагая данными о характере взаимодействия, можно угадать участвующие в нем частицы.
Но эти методы так сложны, что ученые пока даже не пытаются полностью применять их. Они только знакомятся с ними и возлагают на них большие надежды. И подтрунивают над этим положением вещей, показывая друг другу шуточный диапозитив. На нем изображены два ученых-археолога, которые производят в пустыне раскопки. Под их лопатами виден уголок какого-то древнего сооружения. Под рисунком подпись: «Это может быть самым большим открытием века, но весь вопрос в том, как глубоко оно идет!»
Подсмеиваясь над шуткой, ученые тем не менее весьма серьезно относятся к новой возможности проникнуть в тайны микромира. Они на ускорителях проверяют экспериментальные следствия новых методов расчета, пытаются сочетать «дисперсионщину» и «реджистику» с идеями квантовой теории. Ведь именно благодаря тому, что на заре квантовой физики Поль Дирак смело столкнул в своих расчетах привычное с непривычным, сочетал теорию относительности с принципами квантовой природы вещества, он вывел теоретическую физику начала XX века из очередного тупика.
Действительно, что же такое «реджистика» и «дисперсионщина»? Нечто грандиозное и всемогущее, революционно новое, теории, способные разрубить гордиев узел, или... или это просто два первых шага на пути иной математической интерпретации микромира?
Пока трудно сказать, как глубоко позволят новые методы проникнуть в суть явлений. Во всяком случае, у многих они вызывают недоверие. Гейзенберг, например, выступил в печати с резкой критикой нового математического метода. Но американский физик Г. Чью и некоторые другие считают, что новая идея распахнет дверь в микромир. Пока что «реджистика» и «дисперсионщина» очень напоминают пару ключей из увесистой связки, которые, возможно, откроют, а возможно, и не откроют заветную дверь...
Продолжает свои попытки построить теорию элементарных частиц и творец квантовой механики Гейзенберг, пришедший к мысли о том, что, возможно, пространство и время не образуют непрерывного многообразия. Он рассматривает модель мира, в котором существует минимальное пространственное расстояние – квант длины, который много меньше всех встречавшихся ранее расстояний.
Гейзенберг считает, что на расстояниях, меньших этой длины, невозможны никакие, даже мысленные, эксперименты. Но и эта попытка пока не увенчалась успехом.
Делаются и попытки, связанные с квантованием времени, с отказом от применения теории относительности к событиям малых масштабов, и многие Другие.
Ученые XX века уже привыкли к тому, что самые плодотворные, самые гениальные идеи, которые несли в науку революцию, рождались чаще всего не из планомерного развития какого-то направления. Они возникали бурно, дискуссионно, они не вязались с привычной логикой вещей, перескакивали через нее; они казались поначалу сумасшедшими, безумными... Именно это и заставило Бора выбрать гениальный критерий для апробирования новых идей: а достаточно ли она безумна? Достаточно ли далеко искал ученый, не слишком ли близок район его «раскопок» от уже разрытых другими курганов?
Пока еще неясно, какая из новых идей удовлетворит критерий Бора. Какая же теория окажется достаточно безумной, чтобы быть правильной?
Вопрос, который волнует сейчас физиков: быть или не быть? Введет ли нас в микромир старое оружие квантовой теории и теории относительности или этому не бывать и вновь нужно ломать ставшие уже привычными физические концепции?
Так теоретическая физика второй раз за полстолетия очутилась на распутье перед необходимостью больших перемен... Так одно и то же поколение физиков – небывалый в истории науки случай! – снова готовится к революционной ломке своих представлений.
Сегодня ясно всем: для решения загадок микромира вряд ли следует возвращаться назад. Надо идти вперед.
Настала пора, когда ученые вплотную приблизились к новому «безумному» скачку, подобному тем, которые между 1905 и 1916 годом привели к созданию теории относительности и между 1923 и 1927 годом – к появлению квантовой механики. Настало время новых дерзаний. Занавес поднят, начинается очередной акт великой драмы идей.