Позвольте представить вам одну из самых быстроразвивающихся областей современной науки — физику элементарных частиц. Представить не только во всем величии гигантских уникальных приборов, но и в тех, порой мучительных неясностях, которые всегда подстерегают дерзнувшего понять. Представить не только как совокупность ясных, твердо установленных фактов и положений, но и как великий путь эволюции наших взглядов на структуру вещества, вернее, как этап пути, начало которого подернуто полулегендарной дымкой историко-научных гипотез, а конец и вовсе не виден.

Как это следует из названия, раздел физики, который мы будем обсуждать, занимается свойствами простейших составляющих вещества, таких объектов, из которых на сегодняшний день не удалось выделить ничего более элементарного, чем они сами.

Главная проблема, стоящая перед физиками, заключается в выяснении природы сил, действующих между элементарными частицами в различных реакциях. По-видимому, эти же силы обусловливают и существование самих частиц, и, в конечном счете, именно то строение окружающего мира, которое мы наблюдаем.

В принципе физика элементарных частиц очень молодая наука. В 1977 году ей исполняется ровно 80 лет, и она практически целиком принадлежит нашему веку. Первая элементарная частица, а следовательно, и первый объект этой науки — электрон — был открыт английским физиком Дж. Дж. Томсоном, знаменитым «Джи-Джи», в 1897 году. Так что мы вправе говорить не только о молодости, но, пожалуй, о юности этой науки.

Это звучит наилучшим комплиментом, если вспомнить высказывание академика В. Гинзбурга, который назвал физику элементарных частиц «самой красивой дамой физического королевства».

Лет сто назад в физике возник взрывообразный интерес ко всякого рода таинственным и загадочным излучениям и свечениям. Пышные прилагательные в этом предложении вовсе не дань возвышенному стилю и некоторой склонности к мистико-романтической образности, характерной для популярных корреспонденций тех времен. Наблюдалось, действительно, множество различных излучений: светился остаточный газ и флуоресцировала стеклянная колба в уже знакомых нам экспериментах с газоразрядной трубкой, красиво фосфоресцировали соединения урана, наконец, в 1887 году мир узнал, что «генератор Герца» излучает какие-то невидимые электромагнитные волны… Причем большинство из этих излучений не могли быть сколь-нибудь глубоко объяснены. Отсюда и вполне понятный ореол таинственности.

Однако «лучевой бум» оказался теснейшим образом связанным с результатами последнего пятилетия прошлого века. В самом конце 1895 года немецкий физик К. Рентген обнаружил, что из точки пересечения потока катодных лучей со стеклянной оболочкой трубки исходит странное излучение, вызывающее флуоресценцию ряда веществ и обладающее невероятной проникающей способностью. Открытие Х-лучей, как окрестил их сам К. Рентген, обессмертило его имя: он стал через шесть лет первым в истории лауреатом Нобелевской премии.

Сейчас мы настолько привыкли к рентгеновским лучам, рентгеновским установкам, наконец, к врачам-рентгенологам, что вряд ли способны представить современную медицину без всего этого. Кстати, исключительная популярность К. Рентгена и его работ — а он стал широко известен буквально через несколько месяцев после своего знаменитого доклада в Вюрцбургском университете — связана именно с чрезвычайно скорым прикладным использованием его метода в медицинских целях. Уже через год-два после открытия каждый, кто приходил на публичные демонстрации, которые охотно устраивали физики, мог полюбоваться контурами своего скелета. Разумеется, это было зрелище не для слабонервных, но оно в высшей степени подогревало общественный интерес к поиску новых явлений.

И открытия еще более удивительные и глубокие не заставили себя ждать. Всего через 4 месяца после обнаружения рентгеновских лучей французский физик А. Беккерель, достойный представитель научной династии Беккерелей (его дед, отец и сын также известные физики), что называется, обручился со счастливой случайностью. Настолько счастливой, что она стала чуть ли не хрестоматийным примером редкого везения.

Разумеется, дело не только в везении. А. Беккерель по давно установившейся семейной традиции тщательно изучал эффект фосфоресценции различных веществ. После достаточно длительной экспозиции на обычном солнечном свете некоторые вещества продолжали светиться (фосфоресцировать) и при переносе в темное помещение. Это явление было известно довольно давно и уже применялось на практике, например, в часах со светящимся циферблатом. Одним из самых лучших фосфоресцентов считалась двойная сульфатная калий-урановая соль, которая часто использовалась в экспериментах и А. Беккерелем.

На роли патриархов физики элементарных частиц наряду с электроном претендуют, по крайней мере, еще две частицы — фотон и протон. Помимо многих и весьма разнообразных заслуг перед наукой, они представляют собой превосходные образцы объектов, предоткрытых задолго до непосредственного экспериментального обнаружения.

В последние десятилетия прошлого века было установлено, что поверхности любых металлов способны испускать поток отрицательно заряженных лучей не только под действием разности потенциалов, но и при сильном их разогреве или при падении на их поверхность света. Эти явления были названы термоэлектрическим и фотоэлектрическим эффектами соответственно. Сразу же вслед за разгадкой природы катодных лучей исследователи доказали, что оба указанных эффекта тоже сводятся к испусканию потока электронов.

Таким образом, на пороге XX века в физику вошло довольно ясное представление об электроне как о непременной составляющей структуры вещества. Действительно, практически любой доступный экспериментатору образец вещества можно было заставить испускать поток электронов, подействовав одним из трех факторов: разностью потенциалов, теплом или светом. В общем, была понятна и роль каждого из этих факторов — они представляли собой просто разные способы сообщить электрону, заточенному в веществе, некоторую энергию, необходимую для его вызволения. Но разве физики могут удовлетвориться только таким, чисто качественным объяснением! Необходимо было согласовать основные закономерности всех эффектов с существовавшей в то время теорией. Но именно на этом пути исследователи столкнулись с неожиданными и, казалось бы, непреодолимыми препятствиями.

Надо сказать, что как раз на рубеже столетий произошло крайне важное для теоретической физики событие — окончательно оформилась классическая электродинамика, претендовавшая на полное и последовательное описание электрических и магнитных явлений. Великая заслуга создателей этой науки английских физиков М. Фарадея и Дж. Максвелла состояла в том, что они ввели в рассмотрение новый объект, особое состояние материи — электромагнитное поле. Благодаря этому все известные электрические, магнитные и даже световые явления можно было свести к нескольким фундаментальным законам распространения электромагнитного поля в пространстве и его взаимодействия с электрическими зарядами. После того, как на арену физических исследований вышла первая элементарная частица — электрон, усилия теоретиков и экспериментаторов сосредоточились на поиске конкретных закономерностей его поведения под действием электромагнитного поля.

Этот пункт оказался своеобразным средоточием веры и надежды. Физики верили в классическую электродинамику, которая позволила единым образом описать десятки разрозненных фактов в блестящем согласии с опытными данными. Поэтому они вполне серьезно надеялись на успех теории и в применении к электронам. Дело было, конечно, не только в простой надежде на успех. Вопрос ставился принципиально: справится ли существующая теория с описанием взаимодействия электромагнитного поля с электроном — мельчайшей структурной составляющей вещества? Положительный ответ на этот вопрос оказался бы величайшим триумфом теории, а отрицательный — наносил непоправимый ущерб ее основам.

Человек обречен на определенные трудности — он вынужден устраивать свою жизнь сразу в трех временах. Каждый шаг, каждое решение в настоящем неразрывно связаны с нашим предыдущим поведением, и не только с ним, но и с опытом предшествующих поколений. В то же время большинство наших решений зависит от планов на будущее, от того, как мы представляем себе свое положение в завтрашнем дне.

Например, мечтая стать физиком, школьник стремится поступить на физический факультет университета и, естественно, уделяет любимой науке особое внимание. Ясно, что особые отношения с физикой могут формироваться под действием многих факторов, но, как правило, основную роль играет хорошее знакомство с доброкачественной научно-популярной литературой. Кого не способны привести в изумление увлекательные рассказы о цепочке открытий, изменяющих самые глубокие представления о мироздании! А приложения абстрактных физических теорий, ведущие к радикальной перестройке современной техники и технологии!

Конечно, одного изумления мало. Можно преклоняться перед красотой физических идей и всю жизнь писать стихи или искать нефть. Тут вступают в игру и многие другие факторы. Во-первых, изумление должно быть настолько сильным, чтобы превратиться в неукротимое желание принять участие в дальнейшей судьбе данной науки. Во-вторых, неплохо иметь способности к соответствующим занятиям. И, наконец, необходимо огромное упорство. Ведь сколько раз юношеское воображение, густо усеянное туманными образами фотонных звездолетов, наталкивалось на трудные пороги монотоннейших вычислений и противных, как зубная боль, капризов измерительной аппаратуры!

Так что поведение нашего школьника довольно сложным образом зависит от того, как он представляет себе историю физики, современное положение и перспективы работы в этой области, в частности, перспективы собственной деятельности в будущем. Вот и приходится путешествовать во времени, отвлекаясь от сегодняшних важных проблем. Без таких путешествий жизнь стала бы сплошным потоком серой текучки, а все горизонты стянулись бы в бессмысленную точку. И все же, в чем секрет увлекательных экскурсий?

В небольшом романе «Меж двух времен» американский писатель Дж. Финней придумал следующий литературный ход. Его герой то переходит в прошлое лет на 60 назад, то снова попадает в наши дни. Достигается это довольно простым способом. Героя поселяют в старинной квартире, окружают старинными вещами, даже вид из окон соответствует тому времени, в которое он должен попасть. Постепенно он настолько в это вживается, что в один прекрасный день выходит на прогулку и… застает город в том состоянии, в котором он находился многие десятилетия тому назад. Впоследствии молодой человек начинает устраивать подобные удивительные трансформации довольно регулярно и успевает совершить (вместе с очаровательной героиней) все необходимые подвиги.

Физика элементарных частиц действительно очень молодая наука, но она имеет чрезвычайно древние корни, которые постепенно, в течение более двух тысячелетий, оплетали научные представления о структуре вещества. Как говорилось, непосредственный прорыв в мир частиц произошел 80 лет назад, когда Дж. Дж. Томсон объявил об открытии электрона. Однако значение его открытия намного выходит за рамки блестящего финала исследований природы катодных лучей.

Судя по имеющимся источникам, идеи о существовании «первокирпичиков» материи сформировались в Древней Греции. Первые формы атомистической гипотезы встречаются, по-видимому, у Фалеса Милетского, чья плодотворная и долгая (почти столетняя!) жизнь примерно поровну разделилась между VII и VI веками до нашей эры. Но настоящий расцвет античной атомистики относится к более позднему периоду и связан с именами Левкиппа и Демокрита. Именно последнему принадлежит очень важная идея о хаотическом движении атомов в пустоте как истинной причине изменчивости наблюдаемых вещей.

Ход рассуждений Демокрита и большинства других атомистов древности был довольно прозрачен и состоял приблизительно в следующем. Обычные куски вещества можно делить на множество более или менее мелких частей, причем каждая часть сохраняет ряд свойств целого, например, вода, разлитая из большого кувшина по малым сосудам, остается водой. Существуют ли наименьшие порции, сохраняющие основное свойство вещества «быть именно данным веществом» и не способные к дальнейшему делению? Если существуют, то любой объект можно рассматривать как огромную совокупность атомов (в буквальном переводе — неделимых), связанных между собой определенными силами.

В свете современных представлений Демокритов атом выглядит весьма наивно — нечто вроде очень маленького твердого шарика с крючочками, с помощью которых можно цеплять другие атомы. Наивность эта вполне оправдана, ведь в те времена люди не имели понятия ни о каких физических силах, кроме механического воздействия. Зато в последнем разбирались не так уж плохо были разработаны многие механизмы для вертикального и горизонтального передвижения тяжестей, откуда и заимствовались аналогии. Теперь мы хорошо знаем, что за структуру атомов и молекул отвечают электромагнитные силы, но тогда об электричестве известно было крайне мало — ходили слухи о каком-то таинственном свойстве янтаря.

В общем, античные атомы можно считать древнейшими предками современных элементарных частиц. Двадцатипятивековое «генеалогическое древо» — вполне достойное украшение дворца самой красивой дамы физического королевства. И все-таки трудно отделаться от впечатления, что ее каприз сыграл в появлении этого украшения не последнюю роль. Неужели предоткрытие элементарных частиц произошло так давно, когда мир еще ожидал Аристотеля, чтобы подвести итоги самого первого периода развития физики и вообще ввести в обиход ученых это замечательное слово — «физика»?

Обозначим сразу же цель нашего второго путешествия. В начале 20-х годов французский физик Луи де Бройль сделал удивительное предсказание — любые объекты должны вести себя подобно волне, причем чем меньше масса объекта, тем легче проявляются его волновые свойства. Отсюда, в частности, следовало, что уже доступными к тому времени средствами экспериментаторы могут зарегистрировать волновую картину рассеяния электронов, самых легких среди всех частиц, обладающих массой.

Итак, менее чем через три десятилетия после, казалось бы, четкого доказательства корпускулярной природы элементарных электрических зарядов появилась идея о том, что электроны должны вести себя как типичные волны, наподобие электромагнитных. Более того, гипотеза Л. де Бройля оказалась самым настоящим предоткрытием — она сыграла исключительно важную роль в развитии теории и через несколько лет получила блестящее экспериментальное подтверждение.

Как представляли себе физики элементарную частицу, например, электрон, в начале нашего века? Считалось, что это шарик из какого-то необычного насыщенного электричеством вещества, имеющий размер порядка 10–13 сантиметра. Конечно, экспериментаторы того времени не имели возможности видеть столь малые расстояния непосредственно, однако указанное значение размера могло быть вычислено на основе классической электродинамики, и его назвали «классическим радиусом» электрона. Попытки исследовать поведение вещества в областях пространства с меньшими размерами наталкивались на непреодолимые трудности. Поэтому уже тогда многие физики считали «классический радиус» своеобразным барьером, за которым должны вступить в игру совершенно новые законы природы.

Такая наглядная (отвлекаясь, разумеется, от невообразимо малых масштабов!) модель электрона представлялась неудовлетворительной опять-таки по весьма наглядным причинам Неприятности начинались уже в тот момент, когда кто-нибудь пытался продвинуться хотя бы на шаг дальше и ответить на вопрос: «Каковы же свойства вещества, из которого состоит элементарный электрический заряд?»

Предположим, например, что электрон представляет собой упругий шарик, способный сжиматься или расширяться, — вообще, деформироваться под действием внешних сил, нечто вроде теннисного мячика, уменьшенного в тысячи миллиардов раз! Но в таком случае весь опыт развития физики подсказывает, что само «электронное вещество» должно обладать какой-то внутренней структурой Действительно, откуда берутся замечательные упругие свойства того же самого теннисного мячика? В тот момент, когда он ударяется, например, о землю, молекулы образующего его вещества испытывают некоторую деформацию, но стремятся немедленно возвратиться к исходному состоянию, и мяч резко отскакивает. Иными словами, упругость связана с определенной молекулярной структурой — взаимным расположением молекул и величиной силы, связывающей эти микрообъекты между собой. Если великий И. Ньютон мог исследовать законы соударения упругих бильярдных шаров, не углубляясь в проблему их атомно-молекулярного строения, и выводить отсюда важные законы механики, то в начале нашего века такая точка зрения уже не могла удовлетворить исследователей Тем более, если речь шла об электроне! Его упругие свойства, несомненно, требовали объяснения, то есть в конечном счете нужны были дополнительные предположения о его внутренней структуре. Таким образом, представление об упругом электроне-шарике неизбежно вело к идеям о существовании каких-то более мелких частиц, из которых построено «электронное вещество». Но ведь и те, более мелкие частицы будут построены из еще более мелких частиц и т д. и т. п. И нет ничего скучнее такой бесконечной повторяемости одного и того же приема постижения реальности!

Пока вне поля нашего зрения остались события, которые уже с 1927 года повели физику элементарных частиц по новому пути. Электрон оказался и не волной и не частицей (в классическом понимании этих образов), и древний как мир спор стал объектом внимания историков от науки и философов.

Вкратце ход решения двадцатипятивековой дилеммы выглядит следующим образом. Через некоторое время после публикации дебройлевских работ ими заинтересовался австрийский физик-теоретик Э. Шредингер. В серии работ, выполненных в 1925–1927 годах, он довел гипотезу Л. де Бройля до уровня серьезной теории и вполне справедливо назвал ее волновой механикой.

Огромное преимущество такого подхода перед так называемой «старой квантовой механикой» заключалось в построении ясного и предельно общего метода решения любой задачи о поведении микрочастиц. Этот метод был основан на знаменитом уравнении Шредингера для дебройлевских волн. Это уравнение связывало всякое изменение волны во времени с энергией частицы, с которой сопоставлена эта волна. Достаточно было только выяснить вид потенциальной энергии взаимодействия двух или нескольких частиц и ввести эту функцию в уравнение — дальше возникала чисто математическая (лишь в редких случаях простая!) проблема. На основе такого метода практически все задачи, которые с великими трудностями и не менее великим искусством решали создатели старой квантовой механики, в первую очередь Н. Бор и его ученики, становились едва ли не упражнениями для студентов (сейчас они входят в программу III–IV курсов университета!). Но не менее важно и то, что был расчищен путь к задачам, о которых раньше и мечтать не смели.

Отдавая должное замечательным качествам волновой механики, Н. Бор и многие другие физики непрерывно полемизировали с Э. Шредингером по поводу трактовки волновой функции, для определения которой и было написано «всемогущее» уравнение.

Особую остроту этим спорам придавала та позиция, которую твердо занял Э. Шредингер. Он оказался, как говорится, «еще большим католиком, чем сам папа римский» и выдвинул идею, что в природе нет ничего, кроме волн! Это был существенный шаг за рамки исходной дебройлевской гипотезы. Никаких частиц на самом деле нет, утверждал австрийский физик, о них можно говорить лишь приближенно, с точки зрения классической физики, а для волновой механики этот образ совершенно лишен смысла!

За последние 10–15 лет мы стали свидетелями интереснейшей филологической метаморфозы: все реже и реже в названиях конференций, учебников и обычных статей в научных журналах стало употребляться словосочетание «элементарные частицы», все чаще и чаще звучат другие слова «высокие энергии», «при высоких энергиях»… Что это — увлечение результатами экспериментов на гигантских ускорителях или окончательная потеря доверия к прилагательному «элементарный»?

Правильно будет сказать: и то и другое. Но еще правильнее — обратить внимание на те глубокие причины, которые превратили гонку за высокими энергиями в лейтмотив постижения микромира.

Прежде всего стоит обсудить масштабы интересующих нас явлений — недаром ведь говорят: все познается в сравнении. Но масштаб, в свою очередь, основа любого сравнения.

Современная физика действует в невообразимо большом диапазоне линейных размеров. Радиус наблюдаемого участка вселенной составляет примерно 1028 сантиметров, а наименьшие расстояния, доступные изучению на сегодняшний день, — 10–15 сантиметра. Представить себе столь большие и столь малые длины «в живых картинках» чрезвычайно сложно. От того, что я сообщу, например, что мерная лента длиной порядка радиуса вселенной будет весить не меньше нашей планеты, ничего к пониманию факта не прибавит. Человеческий опыт непосредственного восприятия расстояний ограничен интервалом от долей миллиметра до 1–3 километров. Вне этого интервала требуется включать некоторое воображение. Оно может быть изрядно натренировано для того, чтобы свободно измерять на глазок добрые десятки километров, как это бывает у летчиков, или считать маковое зернышко слишком большой заготовкой для вытачивания точной копии роденовского «Мыслителя», как это встречается среди умельцев — потомков великого Левши.

В сущности, аналогичную тренировку проходят и физики, для которых десятки в плюс — минус такой-то степени становятся по мере восхождения на высоты университетской премудрости чем-то вполне естественным и понятным. Как ни странно, дело здесь не в легендарных склонностях ума, а в глубоком усвоении тех понятий и образов, которые стоят за «сухой цифирью», а главное — в овладении основными принципами измерения очень больших и очень малых расстояний, масс и прочих важных характеристик. Попробуем и мы последовать по этому проверенному пути.

Своим первым прорывом в область высоких энергий физика элементарных частиц всецело обязана замечательному «дару небес» — космическим лучам, потоку очень быстрых частиц, приходящих из глубин вселенной и непрерывно бомбардирующих нашу планету.

Прежде чем приступить к обсуждению этого интереснейшего явления природы, еще раз воздадим хвалу великому, внешне случайному, но логически совершенно необходимому открытию естественной радиоактивности элементов. Открытию, которое не только позволило получить первые сигналы о ядерных превращениях, но и подарило уникальное средство зондирования структуры вещества. Однако оно сыграло еще одну крайне любопытную и весьма важную роль. Перед наукой замаячили необычайно привлекательные возможности поиска самых разнообразных «таинственных излучений» И наука с небывалой активностью принялась их отыскивать, объяснять и использовать.

Пожалуй, самая крупная находка на этом пути обнаружилась несколько неожиданно. Существовала старая загадка, знакомая всем исследователям статического электричества. Загадка мучительная, создающая изрядные помехи в экспериментах, — самопроизвольная утечка заряда с хорошо изолированного проводника. Современным физикам, которые на страницах романов, на экранах и, что греха таить, в реальной лабораторной жизни умеют ловко вышибать дух неповиновения из капризных осциллографов и другой прецизионной аппаратуры, трудно поверить, что мудрые классики прошлых веков испытывали немалые неприятности с обычным электроскопом. Тем самым прибором-ветераном, вписавшим немало славных страниц в историю физики и так естественно вписавшимся в уютные интерьеры школьных кабинетов.

Вероятно, первым, кто отнесся к эффекту утечки заряда со всей серьезностью, как к предмету исследования, а не просто досадной помехе, был французский ученый Ш. Кулон — военный инженер, который увлекся изучением электричества уже на полувековом рубеже своей жизни и успел сформулировать основные законы взаимодействия покоящихся зарядов и магнитов.

Основываясь на исключительно тщательных измерениях, Ш. Кулон убедился, что количество электричества на проводнике, окруженном воздухом, быстро убывает с течением времени. Он попытался и объяснить этот эффект наиболее правдоподобным образом под ставки и окружающий воздух, полагал Ш. Кулон, не являются идеальными изоляторами, часть заряда уходит через подставку, часть — уносится частицами воздуха, которые сталкиваются с проводником, захватывают долю заряда и потом отлетают под действием сил отталкивания (ведь на частицах воздуха и на проводнике заряды одного знака).

За последние 80-100 лет произошел коренной перелом во взаимоотношениях науки и ее наиболее крупных технических приложений. Исчезает характерное для прежних времен стремление извлекать пользу из новых явлений, не постигая их сути.

Не следует, конечно, считать, что выдающийся практицизм наших далеких пращуров был следствием какой-то особой интеллектуальной близорукости, а дальновидные умники появились совсем недавно. Дело просто в темпе событий, который, как мы уже договорились, является основной приметой текущего за нашими окнами времени. Седая старина тем и характерна, что в подавляющем большинстве случаев рецепт, найденный сегодня, оказывался вполне пригодным для многих поколений, верным почти без малейших изменений. Успешно прослужив сто, двести, а иногда и тысячу лет, рецепт становился предметом поклонения, а не изучения. И спаси господь дерзкого человека, решившего посягнуть не то что на его опровержение, но даже на простое сомнение.

Но старые времена дают нам и множество примеров гениальных изобретений, намного опередивших уровень научного понимания мироустройства. Наука едва еще выкарабкивалась из пеленок, а техническая мысль вынуждена была волоком волочь упирающегося, перепуганного огромностью этого мира младенца к его же светлому будущему. Это они, так и не вышедшие из тени неизвестности, первопроходцы, нашли простые способы разжигания и хранения огня, достижение, которое окончательно и бесповоротно поставило человека в господствующее положение в биосфере нашей планеты. И это величайшее открытие состоялось без самомалейшего понятия об окислительных реакциях.

Задолго до открытия элементарных законов механического движения по земле прокатилось первое колесо. Большие лодки стали бороздить моря и океаны за много веков до рождения Архимеда. Да уж бог с ней, с древностью. Первый паровоз побежал по рельсам, когда солидные ученые мужи еще превозносили теорию невидимой тепловой субстанции — флогистона… Уже в начале нашего века король изобретателей Т. Эдисон, похвалявшийся тем, что никогда не заглянул ни в одну теоретическую книгу, получает свой 1093-й (!!) патент на изобретение в области электротехники…

Но рядом уже развивается совсем иная деятельность. В 1895 году русский А. Попов и итальянец Г. Маркони демонстрируют удивительные приборы — первые радиоприемные устройства, в основе изобретения которых лежит не простой поиск методом перебора, а четкое представление о недавно открытых Г. Герцем электромагнитных волнах.

Тридцатые годы. Время великих свершений и иллюзий… Посудите сами. Устройство микромира постепенно выстраивалось в не столь уж сложную систему. Есть фотоны, и есть электроны. С помощью фотонов осуществляется взаимодействие между электронами и любыми другими электрическими зарядами. Электроны вместе с ядрами формируют атомы. Ядра состоят из протонов и нейтронов. Все пригоже и целесообразно — ничего лишнего. Правда, имеются две нерешенные задачки — явные пробелы в общей картине.

Первая из них восходит к 1914 году, когда Дж. Чэдвик (будущий открыватель нейтрона) обнаружил странное свойство бета-радиоактивности. Быстрые бета-электроны явно испускались из атомного ядра в результате какого-то внутриядерного катаклизма. Но вместо того, чтобы нести одну постоянную и строго определенную энергию, они создавали целый спектр, притом довольно широкий.

Если бета-электроны с таким непрерывным спектром вылетали непосредственно из ядер, возникала явная энергетическая катастрофа — в каждом акте испускания частицы обладали различными значениями энергии. Н Бор со свойственной ему смелостью выдвинул гипотезу, что в этих конкретных актах энергия не сохраняется, а закон сохранения следует относить только к среднему значению энергии электрона. Простой путь к спасению великого закона указала немка Л. Мейтнер. В 1922 году она высказала предположение, что электроны «размазываются» по широкому энергетическому интервалу из-за вторичных соударений. Однако к концу 20-х годов ее гипотеза была опровергнута экспериментально

И все-таки спасение закона сохранения энергии пришло. Пришло в виде письма, которое адресовал участникам небольшой конференции в Тюбингене в декабре 1930 года молодой В. Паули.

В послании из Цюриха выдвигалась гипотеза, будто вместе с бета-электроном ядро испускает новую частицу с очень малой массой и высокой проникающей способностью, причем суммарная энергия бета-электрона и новой частицы остается постоянной, то есть строго сохраняется в каждом акте. В. Паули окрестил «спасителя» нейтроном. Это тяжеловесное название продержалось недолго — лишь до открытия Дж. Чэдвиком настоящего, полноправного нейтрона.

«…В шестисотый год жизни Ноевой, во второй месяц, в семнадцатый день месяца, в сей день разверзлись все источники великой бездны, и окна небесные отворились. И лился на землю дождь сорок дней и сорок ночей…» Таковы строки библейской сказки о «наказании господнем», ниспосланном за грехи рода человеческого. Как известно, спасется лишь Ной — человек праведный и за то вовремя осененный предупреждением свыше. Он построит громадный ковчег, соберет на нем «всякой твари по паре» и причалит на нем к единственному кусочку незатопленной тверди земной — вершине горы Арарат.

Сказка сказкой, но нечто подобное произошло и в микромире: был и потоп открытий, и спасительный ковчег…

Масштабы событий, нахлынувших вскоре на физику элементарных частиц, действительно огромны, и их источники хорошо известны.

Ускорители дождались наконец своего часа. Уже к концу 40-х годов их возможности намного превзошли мечты создателей. Правда, хотя эпоха естественных радиоактивных снарядов ушла в прошлое, принципиальные результаты работ на ускорителях все еще плелись в хвосте у достижений физики космических лучей. Благодаря огромному энергетическому диапазону «дара небес» они позволяли широким фронтом вести поиск всевозможных необычных событий. Поэтому к моменту заполнения 30-частичной таблицы космические лучи оказались в положении фаворита.

Посудите сами, электрон и фотон были открыты с помощью катодных трубок; нейтрон и протон — с помощью радиоактивных элементов; нейтрино открыли, используя ядерный реактор. А вот мю-мезон, пи-мезоны, ка-мезоны, большинство гиперонов обязаны своим появлением исследованиям «космиков» (так называют среди физиков тех, кто занимается космическими лучами). Что могли показать на этой выставке достижений ускорители? Подтверждения результатов, добытых космиками? Но подтверждение, несмотря на всю полезность поговорки «повторение — мать учения», остается всего лишь движением по проторенному пути.

классы частицы символ название

фотон y фотон лептоны vе нейтрино электронное

vu нейтрино мюонное

е электрон

u мюон

Согласно библейской легенде Ной начал строить ковчег заранее и именно поэтому вполне благополучно пережил потоп. Нечто подобное произошло и в физике элементарных частиц. К моменту, когда на страницы научных журналов хлынул поток сообщений об открытии адронных резонансов, у теоретиков были подготовлены неплохие спасательные средства с красивым названием Высшие Симметрии. Оказалось, что огромная таблица сильновзаимодействующих частиц-адронов выстроена как бы не из отдельных «кирпичиков», а из целых «крупноблочных конструкций». Иными словами, адроны можно разделять на группы частиц с близкими свойствами, и таким образом наводить среди них весьма четкий порядок.

Что же такое симметрия, и о каких свойствах частиц идет речь?

Симметрия буквально означает соизмеримость. Это понятие играет важную роль в физике, как, впрочем, и во многих других областях научной и практической деятельности. Например, архитектор стремится, как правило, создавать симметричные здания со строгим равенством всех деталей относительно центра фасада — справа и слева должно располагаться одинаковое количество колонн, ступеней, окон, дверей…

Такое полностью симметричное здание обладает одним интересным свойством. Предположим, перед вами лежат два его фотоизображения, причем одно из них получено при непосредственном фотографировании изображения этого же здания в обыкновенном зеркале. Нетрудно догадаться, что при тщательном изготовлении обоих снимков никто не сумеет определить, где же изображено само здание, а где его зеркальный двойник. Мы сталкиваемся здесь с важным свойством симметричного объекта — его вид сохраняется при зеркальном отражении.

На самом деле любые формы симметрии тел или процессов связаны со свойством сохранения какой-либо величины. Верно и обратное утверждение: если есть закон сохранения, то за ним непременно скрывается определенная симметрия. Именно исследование законов сохранения и привело физиков к идеям группировки элементарных частиц.

Как и герои древних преданий, призраки микромира имели реальных предков и довольно любопытную родословную. История появления этих призраков как раз и связана с удивительным сочетанием щедрости природы и скупости физиков.

Скупость эта проявилась довольно рано — еще тогда, когда адронный мир, казалось бы, строился всего из двух типов частиц — нуклонов и пи-мезонов. О ка-мезонах и гиперонах существовали лишь предварительные данные, а до резонансного потопа было совсем далеко. Но даже два типа адронов показались физикам излишней роскошью для таблицы элементарных частиц. Летом 1949 года Э. Ферми и его девятнадцатилетний аспирант Ч. Янг написали статью, которая прямо так и называлась: «Являются ли мезоны элементарными частицами?»

Авторы начали с естественного предположения о том, что в природе существуют антинуклоны (кстати, антипротон и антинейтрон будут открыты только через несколько лет после появления их статьи). Далее они высказали гипотезу, что пи-мезон представляет собой просто связанное состояние нуклона и антинуклона, а не особую элементарную частицу, как это думал X. Юкава, и попытались оценить основные свойства этого составного ядерного кванта. Правила составления наблюдаемых пи-мезонов можно проследить, пользуясь простой зарядовой арифметикой: положительно заряженный пи-мезон должен состоять из протона и антинейтрона, отрицательно заряженный — из нейтрона и антипротона, и нейтральный пи-мезон — из смеси пар протон — антипротон и нейтрон — антинейтрон. Во всех случаях у мезонов оказываются правильные значения электрических зарядов, а их барионные заряды равны нулю.

Модель Ферми — Янга была интересна, но в некоторых отношениях непоследовательна. Трудно было, например, объяснить природу сил, склеивающих тяжелые частицы — нуклон и антинуклон — в сравнительно легкую — пи-мезон. Поэтому многие физики сначала отнеслись к этой модели без особого энтузиазма. Однако заложенные в ней идеи — прежде всего стремление обходиться предельно малым числом действительно элементарных частиц — были исключительно полезны, и через несколько лет эти идеи стали интенсивно развиваться.

После того как «странные» частицы — ка-мезоны и гипероны — окончательно утвердились в качестве особого класса адронов, стало ясно, что одним нуклоном при построении составной модели частиц не обойтись. Ведь нуклон представлял собой образ двух барионов, не имеющих «странности» (протона и нейтрона), а из них никак нельзя было построить, скажем, «странный» ка-мезон. Поэтому физикам пришлось привлекать третью фундаментальную частицу — один из «странных» мезонов или гиперонов. Именно по этому пути и пошли создатели первых универсальных моделей составных адронов советский теоретик академик М. Марков и японский ученый С. Саката.

Исследуя любую структуру, человек должен прежде всего найти способы воздействия на нее. Только это позволит ему понять роль отдельных элементов структуры и их взаимосвязи. Так поступает едва ли не каждый ребенок, получивший в подарок красивую и сложно устроенную игрушку. Малыш со всей доступной ему скоростью стремится проникнуть в секреты механизма, чаще всего безнадежно портит всю хитроумную внутреннюю механику, но и это полезные шаги к постижению мира. Пожалуй, любому из нас знакома хотя бы раз в жизни нападающая страсть — разобрать часы до последнего винтика.

Конечно, проникновение в каждую структуру требует особого инструмента. Игрушку можно разломать, пользуясь обычным молотком или другой «железкой». Чтобы аккуратно разобрать часы, необходимы гораздо более тонкие приспособления — специальные отвертки и пинцеты. При этом, как правило, мастер вынужден применять увеличительное стекло, с помощью которого четко различает мелкие детали.

Чтобы рассмотреть, скажем, кристаллическую структуру обычного вещества, исследователи применяют рентгеновские лучи, имеющие столь малую длину волны, что они чувствуют уже микроскопические детали строения. Еще сложнее увидеть отдельные молекулы и атомы — теперь уже необходимо применять особо короткие дебройлевские волны, связанные с потоками быстрых электронов или ионов.

А как быть в случае элементарных частиц, которые представляют собой вроде бы простейшие структурные составляющие вещества? Интуитивно ясно, что при изучении структуры каких либо объектов хорошо бы использовать наиболее простые из них. Например, по отношению к атомам такими более простыми объектами могут служить атомные ядра или отдельные элементарные частицы. Для самих же частиц остается единственный способ выяснения их структуры бомбардировка такими же частицами.

Не существует какого-либо инструмента с заранее известными свойствами, которым можно было бы почувствовать детали строения отдельного представителя микромира. Ведь каждый инструмент должен, в свою очередь, состоять из элементарных частиц. Это и определяет специфику исследования мельчайших составляющих вещества. Все опыты в данной области должны быть устроены по образцу тех мысленных экспериментов по рассеянию электронов, которые мы рассматривали во второй главе, в связи с вероятностной трактовкой квантовой механики.

Итак, все эксперименты свидетельствовали в пользу сложной структуры адронов. Физикам стало ясно, что адроны выглядят как чрезвычайно плотные сгустки вещества с радиусом порядка 10–13 сантиметра. Однако до поры до времени зондирование адронной структуры проводилось не слишком глубоко. Грубо говоря, результаты экспериментов позволяли представить себе внешний слой адрона, но его внутренние области практически не были изучены.

В 1968 году в небольшом калифорнийском городе Стэнфорде был запущен новый ускоритель электронов с энергией до 20 ГэВ. Несмотря на сравнительно скромное значение этой величины, по сравнению с параметрами протонных синхротронов, Стэнфордский ускоритель стал выдающимся достижением инженерно-физической мысли; ведь электроны ускорять значительно трудней, чем, например, протоны или атомные ядра. Дело в том, что электроны значительно легче протонов и гораздо активней теряют энергию на электромагнитное излучение, затрудняя тем самым процесс ускорения.

Новая установка позволяла заглянуть в адрон намного глубже, чем все предыдущие. Физики фактически впервые получили возможность непосредственно изучать процессы взаимодействия на расстояниях порядка 10–15 сантиметра, то есть в 100 раз меньших собственного размера адрона!

Конечно, исследователи были уверены, что столь уникальный инструмент для зондирования структуры принесет ценнейшую информацию. Но вряд ли они представляли себе, что самые первые эксперименты дадут совершенно обескураживающие результаты…

Сразу же после запуска ускорителя группа В.Панофского приступила к опытам, которые были задуманы как продолжение хофстэдтеровских работ. Пучок электронов, полученный в ускорителе, выводился на водородную мишень, и измерялось распределение провзаимодействовавших электронов по углам рассеяния и по энергиям.

Итак, основная проблема связана с пониманием природы сил, действующих между частицами и внутри частиц.

Современная физика имеет дело с четырьмя различными типами взаимодействия, которые резко отличаются по интенсивности — сильными, электромагнитными, слабыми и гравитационными. Начнем с конца.

Гравитационные взаимодействия определяют структуру планетных систем, галактик и, видимо, вселенной в целом, но в микромире они практически не заметны. Во всяком случае, считается, что на данном этапе исследования процессов с элементарными частицами этими силами можно пренебречь.

Три остальных типа взаимодействия, несомненно, играют существенную роль в устройстве микромира, но до настоящего времени ни одно из них не получило последовательной и удовлетворительной теоретической трактовки. Причины такого положения дел очень интересны и отнюдь не лежат на поверхности.

В каждый период развития физики формировался определенный эталон в понимании механизма взаимодействия.

У человека, приступающего к изучению теории любых взаимодействий, всегда создается впечатление, что упругое рассеяние частиц — простейший из простых процессов. Ведь в упругом рассеянии никакие внутренние свойства частиц не изменяются, в результате реакции получаются такие же частицы, какие были до нее.

В самом деле, гораздо проще исследовать, скажем, соударение двух обычных бильярдных шаров, которые все время остаются теми же бильярдными шарами. Лишь в момент соприкосновения они слегка деформируются, чтобы немедленно восстановить свою форму. Вообразим теперь такое положение, когда в результате удара один или оба шара способны рассыпаться на несколько таких же бильярдных шаров, причем этот развал происходит довольно часто, в большом числе случаев.

Физик сказал бы по поводу таких столкновений, что процесс размножения шаров происходит с большой вероятностью, и стал бы немедленно ставить точные опыты, чтобы выяснить, с какой именно вероятностью рождается один дополнительный шар, два дополнительных шара и т. д…

Предположим теперь, что физик узнал все необходимое и натолкнулся на такую любопытную ситуацию. Шары могут охотно рождаться, но все-таки некоторый небольшой процент событий — это чисто упругое рассеяние. И вот вероятность простейшего процесса — упругого рассеяния — оказывается каким-то образом связанной с тем, как ведут себя неупругие реакции, то есть те, в которых рождаются новые шары.

Продолжая свои опыты и осмысливая их теоретически, физик, наконец, находит закон действия сил между шарами. Иными словами, он определяет форму потенциальной энергии взаимодействия и теперь уже может теоретически рассчитать поведение шаров в результате упругого соударения. И при этом первоначальные подозрения о какой-то связи между упругими и неупругими реакциями превращаются во вполне конкретный факт. Оказывается, что потенциальная энергия взаимодействия между двумя шарами почти полностью определяется процессами «множественного рождения» шаров.