Физика перед новым скачком

Теория относительности и квантовая физика ярким светом озарили многие тайны космоса и мира атомов. Первые шестьдесят лет нашего века ознаменовались десятками блестящих открытий. Эти годы по праву будут расцениваться как вторая героическая эпоха в физике, соперничающая с великой эпохой Ньютона, а может быть, и превосходящая ее.

Но в последнее время произошло то, что редко случается за столь короткий срок в истории науки: на подступах к тайне элементарных частиц великие теории дрогнули...

Драмы разыгрываются главным образом в сокровенных глубинах атомного ядра и в связи с рождением (не всегда законным) новых частиц. Теория стала катастрофически отставать от опыта, перестала понимать и объяснять его! Эксперимент с каждым днем становится все более блестящим, уверенным, хитроумным, но теоретики все чаще оказываются не в силах предсказать и объяснить его результаты.

В ускорителях полчища искусственных космических частиц неутомимо бомбардируют мишени. И встреча "снарядов" с атомами мишени рождает целый фейерверк элементарных частиц: протонов, электронов, мезонов и... ряда таинственных, неизвестных еще людям. Эти незнакомки представляют объект самого жадного интереса ученых.

Но большинство вновь рожденных частиц и не "думает" дожидаться, пока ученые внесут их в свои списки. Они умирают, прожив меньше, чем мгновение, просуществовав в десять миллионов раз меньше, чем ускользающе малая величина - время обращения электрона на своей орбите вокруг ядра! И все-таки экспериментаторы успевают решить буквально феноменальную задачу: сфотографировать следы частиц-"мгновений", взвесить их, измерить электрический заряд, энергию и время жизни.

Как же объясняет теория это удивительное, фантастическое разнообразие частиц, вдруг вспыхивающих и мгновенно исчезающих? Как она рисует свойства частиц-"призраков"?

Увы, никак! Современная теория пока не способна дать ключ к объяснению этих явлений.

Столкновение микрочастиц, сопровождающееся рождением огромного числа новых частиц, не поддается расчету, предвидению, математическому анализу! Ученые могут рассчитать траекторию космических кораблей, предугадать район их посадки на других планетах, наконец, сфотографировать скрытую от нас половину Луны, но... Когда теоретики пытаются описать взаимодействие малых частиц материи, они приходят к несуразным выводам. Получается, что частицы должны обладать бесконечно огромным электрическим зарядом и бесконечной массой! Если верить формулам и уравнениям, столкновения невидимых ядер должны рождать частицы размером больше Земли, больше Солнца, что, естественно, противоречит и здравому смыслу и повседневным наблюдениям.

Итак, частицы материи не уживаются вместе в мире известных математических образов, хотя в обыденной жизни они прекрасно ладят друг с другом, никаких нарушений законов микромира не допускают, и вокруг нас продолжают как пи в чем не бывало существовать привычные предметы, сотканные из биллионов биллионов элементарных частиц.

Чтобы "примирить" их и на бумаге, ученым сейчас приходится отказаться от рассмотрения самых близких отношений между частицами, от изучения того, что происходит при очень тесном их сближении, то есть отказаться от попыток разобраться в самом интересном...

До сих пор никто не может сказать, завершен ли список микрочастиц или нам предстоят новые открытия. Никто не знает, какие из них элементарны. Нет даже ясного определения того, какие частицы нужно считать элементарными. Хотя похоже на то, что элементарная частица не должна быть простым соединением других частиц.

Например, мезоны и гипероны не рождаются в одиночку, а группами хотя бы из двух частиц. Причем в различных условиях из одного и того же исходного "материала" могут образоваться различные "продукты", Конечно, эти частицы не элементарны.

Но если при реакции частица разлетается на несколько осколков и среди них есть такие, которые не меньше исходной, то эти последние, пожалуй, можно условно считать элементарными. Такой подход вполне законен.

Например, при распаде протона получается нейтрон и еще две частицы, при распаде нейтрона - протон и две другие частицы. Массы протона и нейтрона очень близки, значит, эти частицы элементарны, они, по существу, не распадаются, а превращаются друг в друга.

Откуда же берутся новые частицы, рождающиеся при этих превращениях? Еще недавно ответ показался бы крамольным: они возникают из энергии, которой обладала элементарная частица до превращения. Если превращение происходит внутри ядра - это ее доля внутриядерной энергии. Если частица свободна, то это ее кинетическая энергия.

Мы постоянно становимся свидетелями того, как энергия - ядерная, электромагнитная, механическая - в соответствии с предсказанием Эйнштейна трансформируется в частицы. Мы можем наблюдать, как частица и античастица исчезают, породив кванты энергии электромагнитного поля.

Мы уже не сомневаемся в том, что энергия обладает инерцией и испытывает действие поля тяготения, что энергия материальна, то есть существует независимо от нашего сознания.

Возникает вопрос: не является ли то, что мы называем энергией, равноправной формой материи, проявляющей себя в соответствии с еще неизвестными законами то как поля, то как частицы? Не правы ли Эйнштейн и де Бройль, считавшие волны и частицы единой сущностью?

Как же преодолеть ограниченность теории, которая пока не в силах разобраться в завидном многообразии элементарных частиц? Как решить конфликт между теорией и практикой?

Каков механизм неисчерпаемости электрона и других частиц? Что представляет собою атомное ядро? Капля ли это какой-то особой невиданной жидкости, жидкости, возможно, сверхтекучей, сходной по своим свойствам с очень охлажденным жидким гелием?.. Сгусток ли это особых ядерных сил?

Бор верил в капельную теорию строения ядра атома. Боголюбов придерживается сверхтекучей модели ядра...

Вплоть до недавней кончины продолжал свои попытки построить единую теорию элементарных частиц творец квантовой механики Гейзенберг, пришедший к мысли о том, что пространство и время, возможно, не образуют непрерывного многообразия. Он рассматривал модель мира, в котором существует минимальное пространственное расстояние - квант длины, который много меньше всех встречавшихся ранее расстояний. Гейзенберг считал, что на расстояниях, меньших этой длины, невозможны никакие, даже мысленные эксперименты.

Физики не ждут ничего нового от этой теории. По их мнению, поиски Гейзенберга лежат слишком близко от района, уже обследованного учеными.

Делаются попытки, связанные с квантованием времени, с отказом от применения теории относительности к событиям малых масштабов. Ученые пробуют построить новую теорию, основанную на том, что в крайне малых масштабах, которые пока еще не поддаются измерению, время течет скачками. Не непрерывно, как это получается при отсчете обычными, пусть самыми точными, даже атомными часами, а изменяется маленькими порциями. Трудно пока говорить, действительно ли это скачки времени или принципиально необходимые скачки любого часового механизма. Мысль ученых легко понять, взглянув на обычные часы: секундная стрелка движется скачками, а другие перемещаются практически непрерывно.

Квантование времени, расстояния и многие другие теории - это, как говорится, проба пера. Пока еще не ясно, какая из попыток приведет к истине.

Ученые XX века уже привыкли к тому, что самые плодотворные, самые гениальные идеи, которые принесли в науку революцию, рождались чаще всего не из планомерного развития какого-то направления. Они возникали бурно, дискуссионно, не вязались с привычной логикой вещей, перескакивали через нее, казались поначалу неправдоподобными...

Поэтому, сталкиваясь с новым мнением, ученые наших дней прежде всего стараются понять: насколько близок район новых раскопок от уже разрытых другими учеными "курганов"?

Правда, история науки знает удивительные случаи, когда открытие было обнаружено буквально "под носом". Современный английский археолог Луис С. В. Лики искал череп самого древнего человека. И нашел его возле...

"Случилось это, когда я обходил ущелье с геологом Раймондом Пиккерингом, который составил для нас подробную карту ущелья. Однажды после обеда мы с Реем вышли из маленького бокового ущелья в полутора километрах от нашего лагеря и взобрались на холмик, чтобы поглядеть на основной раскоп.

Вдруг что-то показалось мне странным. Я сказал Рею, что с холмика я вижу обнажения слоя П, которых раньше не замечал.

В этот день идти туда было уже поздно. Всю ночь я размышлял, как же мы могли пропустить это место, работая от него на расстоянии брошенного камня? Единственным объяснением могла быть только закрывающая обнажение растительность.

Рано утром я взял с собой Рея и своего младшего сына Филиппа, и мы начали продираться сквозь кусты. На верхушке склона у меня появилось чувство, что сейчас мы увидим что-то важное. Карабкаясь вниз, я, смеясь, сказал Рею:

- Вот здесь-то мы и найдем череп.

Не успел я окончить фразу, как мой взгляд случайно упал на несколько обломков костей в маленьком разрытом овражке. Череп!

Это действительно был череп - человеческий череп. Наконец мы нашли то, что наши бесчисленные предшественники искали больше столетия".

Так Луис Лики пишет о замечательном открытии - своей драгоценной находке, которую он обнаружил близ ущелья Олдовай, где вел систематические раскопки в течение тридцати лет...

Неизвестно, прячется ли тайна элементарных частиц где-то далеко, за пределами района современных поисков... Или она подстерегает ученых рядом, где они ищут уже много лет...

Прошли десятилетия с тех пор, как В. И. Ленин сказал провидческую фразу: "электрон так же неисчерпаем, как и атом". Сомнений не осталось - да, электрон, элементарные частицы не элементарны! Каковы доказательства этой дерзкой мысли?

Одно из самых убедительных - то, что при столкновении двух частиц возникают повью. Опыты по рассеянию ускоренных частиц показали: каждый протон и нейтрон подобно атому имеют свое маленькое ядро, окруженное "атмосферой" из элементарных частиц другого типа - мезонов.

Физики фактически повторяли опыты Резерфорда, но совершенно иными инструментами. У Резерфорда были снаряды малой мощности (альфа-частицы), и он проник лишь в атом. Новые, более мощные "снаряды" (протоны больших энергий) помогли физикам проникнуть еще дальше - в глубь ядра. И в том, и в другом случае "снаряды" рассеивались сильнее, чем если бы мишень была однородным, сплошным телом. Одинаковым был и вывод: масса мишени (протона и нейтрона) не размазана по ее объему, а сосредоточена вблизи ее центра в чрезвычайно малом объеме, как масса атома в его ядре.

Чтобы не путать его с атомным, ядро протона и нейтрона называют теперь словом "керн". В немецком языке это слово обозначает "ядро" или "косточку" ягоды.

Казалось бы, куда дальше? Но наука не знает успокоенности. Теперь физики стремятся узнать: как устроен керн? Недавно были опубликованы первые результаты.

Выяснилось, что и керн - это не сплошное однородное тело.

Снова была использована идея опыта Резерфорда, но снарядами на этот раз были электроны. Электроны-снаряды мчались на штурм со скоростью, лишь на одну трехмиллионную долю меньшей, чем скорость света. Снаряды проникли внутрь керна. Даже из грубого анализа результатов было ясно, что керн не представляет собой однородное тело: рассеяние электронов на керне оказалось очень большим!

Когда закончились расчеты и была точно воссоздана картина рассеяния электронов на атомах мишени, рассчитаны углы и энергии, настала пора удивления. Результаты оказались такими, как если бы внутри керна находились... три сверхмалые частицы! Сразу же возникла мысль - может быть, эти новые частицы и есть таинственные кварки? Возможность их существования была предсказана теорией. В последние годы о них много пишут научные журналы всего мира.

Сейчас, пожалуй, пет ни одного крупного физического института, изучающего элементарные частицы, где не готовились бы к поискам или уже не искали загадочные сверхэлементарные крупицы материи. Одиночных кварков пока, тем не менее, найти не удалось. Теория говорит о том, что внутри многих микрочастиц они должны существовать именно тройками. Действительно ли внутри керна существуют кварки? Многие физики склонны думать именно таким образом.

Итак, ученые окончательно убедились в неисчерпаемости элементарных частиц.

Как же обстоят дела с самим электроном?

Физики не выпускают его из поля зрения. Но в его строении все еще много неясного. Эта первая из открывшихся людям элементарных частиц оказалась крепким орешком... Опыты идут все по тому же пути: мишень - снаряд. Электрон обстреливается встречными пучками заряженных частиц.

Классический опыт Резерфорда привел к атомному ядру, а последующие его усовершенствования позволили обнаружить керн протона и нейтрона. Новейшие опыты дают основания считать, что электрон тоже состоит из сверхмалого ядра, окруженного "атмосферой".

Ядро столь мало, что для перехода к этой величине нужно разделить сантиметр в миллиард раз и повторить такую операцию более миллиона раз подряд. Из чего же состоит "атмосфера" электрона? Физики считают, что ее образуют рождающиеся на мгновение и вновь исчезающие осколки материи - обитатели "планеты электрон". Говорить о подробностях пока преждевременно. Это лишь первые осторожные догадки.

Электрон неисчерпаем. Каждый шаг к пониманию его структуры чрезвычайно труден. Но шаг за шагом ученые проникают и будут проникать в тайны природы. И как сказал замечательный французский физик Поль Ланжевен: "Хотите вы этого или не хотите, но нет другого пути к пониманию ядра, кроме диалектического материализма". То есть без философии физике не обойтись.

Нет другого пути и к тайнам элементарных частиц - планетам Малой Вселенной, и тайнам небесных тел - обитателям космоса, Большой Вселенной. Физики, математики, философы одолеют его объединенными усилиями.