Вот уже 20 лет кварки интригуют физиков. Эти выдуманные частицы многое объяснили и могли бы стать первоэлементами, из которых построен мир если бы их удалось обнаружить! О головоломных путях познания которыми идут ученые о фантастичности картины мира открывающейся их глазам, о новейших научных достижениях физики рассказывает доктор наук Ю. Чирков. Издание рассчитано на самые широкие круги читателей.
Введение
В 1931 году чешский писатель Карел Чапек побывал в Голландии. В очерке «Знакомство с чужими странами» он писал: «В большинстве случаев нынешний путешественник проделывает в чужих странах, так сказать, обратный путь по истории. Начало его новым познаниям кладет центральный вокзал в столице; только после этого, постепенно, шаг за шагом он переходит к все более и более старинным предметам, как-то, скажем: кафедральные соборы, старинное искусство и амстердамское гетто, и только напоследок, в конце своих странствий, он открывает и голос самой страны, вроде мычания черно-белых коров или скрипа крыльев ветряных мельниц…»
Физиков, как, впрочем, и ученых других специальностей (наука едина: деление ее на отдельные дисциплины произвольно и временно!), тоже можно было бы уподобить путешественникам, отправившимся в некую условную страну. Как назвать ее? Страна Логики? Мекка Смысла? Царство Основных Законов?
И физики сначала различают в незнакомых краях лишь привычное, сходное с тем, что они оставили «дома»; и, как и обычные пилигримы, лишь постепенно начинают слышать «голос самой страны».
И все же аналогия эта не совсем точна! В книге речь пойдет о физике микромира, а значит, о мирах, масштабы которых — и временные и пространственные — становятся тем меньше, чем далее «путник» отходит от родных пенатов. Он простирает руки к «Африкам» и «Америкам», которых и в микроскоп-то не различишь — ко всем этим гиперонам, нейтрино, мезонам… Какое уж тут мычание черно-белых коров!
Гораздо лучше поиск физиков-ядерщиков сравнить с охотой. Но с охотой в особом, диковинном «лесу», заселенном невиданными чудищами и химерами, среди которых наиболее поразительны кварки.
1. Элементарная неэлементарность
— Что ни сезон, то мезон, — любил подтрунивать над физиками-ядерщиками академик С. Вавилов. Дело было в конце 40-х годов.
А в 1971 году член-корреспондент АН СССР Д. Блохинцев в беседе с журналистами рассказывал: «Когда я начинал работать в Объединенном институте ядерных исследовании в 1956 году, вот эта полка, где стоят отчеты о международных встречах физиков-атомщиков, была почти пустой. Теперь, как видите, она буквально забита материалами о конференциях, симпозиумах, семинарах.
Открылась новая область исследований. Физики обнаружили целый мир элементарных частиц. Когда-то я сам для себя составлял таблицу таких частиц, и мне понадобился лишь один вечер. А сейчас это уже довольно сложная схема. Специальный международный центр выпускает сведения об элементарных частицах, и каждый год они составляют тетрадку объемом около 50 страниц. Но даже специалисты, работающие в этой области, не могут вполне точно ответить на вопрос: сколько же в данный момент известно элементарных частиц?..»
Да, 10–15 лет назад под лавиной открытий оказался погребенным один из основополагающих для микромира терминов. Каждый год все более увеличивал группу «элементарных частиц». Открытия все новых и новых членов этой чересчур многочисленной семейки становились почти будничным делом, волнующим разве что узкий круг специалистов. Все это в конце концов не могло не привести к девальвации эпитета «элементарный». Так, уже в который раз подверглась сомнению с таким трудом ставшая достоянием большой науки идея атомизма.
Демокрит
Если взять какое-нибудь достаточно массивное тело и начать его дробить, получатся части, обладающие теми же свойствами, что и исходное тело. Тривиальная вроде оы мысль!
Но возьмем мяч, утюг, сковородку и разрежем, разломим их хотя бы пополам. В руках у нас окажутся полумячи, полуутюги, полусковороды — вещи, явно лишенные своих изначальных качеств. Предметы настолько же аосурдные, как, скажем, полтора дровосека.
Еще один образ. В рое пчел мы издали не видим отдельных насекомых. Все пчелы сливаются для нас в одну сплошную пчелиную тучу. Но это не значит, что пчел нет. И ясно также, что, вознамерившись разъять отдельных пчел на составляющие, мы вновь получим те же полсковороды.
Мораль? Дробление роя, так же как и дрооление любого физического тела, имеет смысл проводить лишь до некоторого предела. Вот так, естественным образом, и возникает в сознании идея атомизма.
Наиболее отчетливо это учение сформулировал один из величайших философов древности, грек Демокрит (жил в 460–370 годах до новой эры).
Диспут в Париже
Учению Аристотеля ы повезло, и нет. Его подняла на щит, сохранила для потомков, пригладила, отшлифовала, канонизировала церковь. Но она же и выхолостила это учение, убила в Аристотеле все живое и ценное, увековечив мертвое, догматическое. В. И. Ленин в одной из своих философских работ писал, что из Аристотеля в дальнейшем «сделали мертвую схоластику, выбросив все поиски, колебания, приемы постановки вопросов».
Имя Аристотеля, как и святое распятие, душило все новое, прогрессивное, живое. Наука смогла возродиться после тысячелетнего застоя лишь в XV–XVI веках в тяжелой борьбе со средневековой схоластикой церкви, поддержанной авторитетом Аристотеля.
Возродить взгляды Демокрита, дать им достойное место в науке пытался яркий представитель науки Возрождения английский философ Ф. Бэкон (1561–1626). Барон Веруламский, виконт Сент-Олбанский, лорд — хранитель печати, лорд-канцлер, занимавший важные посты, Ф. Бэкон основной целью своей жизни ставил работу над планом «Великого восстановления наук», освобождения их от схоластических пут церковной догматики.
В многочисленных трудах (главный из них — «Новый органон») Ф. Бэкон выковывал истинно научный метод исследований. Эмпириков, ограничивающихся только опытом, он сравнивал с муравьями, суетливо переносящими тяжести; догматиков, строящих системы силой одного только разума, уподоблял паукам, ткущим из себя паутину; настоящий ученый, считал Ф. Бэкон, должен быть подобен пчеле, собирающей сок из растений (эксперимент) и затем перерабатывающей его в мед своими силами (интеллект).
(Сейчас подобные взгляды могут показаться тривиальными и наивными. Но не следует забывать, что высказывались они в темные годы средневековой схоластики, когда в публичных диспутах в Сорбонне решался, скажем, вопрос о том, сколько же чертей может уместиться на острие иглы!)
Дальтон
Истинное возрождение атомистики началось в начале XIX века. В 1802 году английский физик (изучая газовые смеси, он открыл закон парциального давления газов, 1801 год) и химик Д. Дальтон (1766–1844) нашел, что основные факты химии получили бы лучшее объяснение, если считать, что каждый химический элемент можно представить себе в виде мельчайших, далее неделимых частиц. Каждому элементу, полагал Д. Дальтон, соответствует свой тип частиц, а их всевозможные комбинации и образуют все изучаемые химией вещества.
Повторяя Демокрита, Д. Дальтон назвал эти частицы атомами.
Многие факты научной карьеры и научных достижений Д. Дальтона, несомненно, обусловлены особенностями его биографии и его личными свойствами.
Сын бедного ткача, он вынужден был ограничиться самообразованием, хотя и стал в 1822 году членом Лондонского королевского общества, а средства к жизни находил, давая частные уроки по химии и математике. Все это не могло не способствовать самостоятельности и независимости научных суждений Д. Дальтона.
Играло здесь, видно, роль и то, что был он из семьи квакеров. Эта религиозная секта трясунов (английское слово quakers буквально означает «трясущиеся») отвергала официальную церковь и ее каноны. Челсвек, считали къакеры, без посторонней помощи и посредников сам может вступить в непосредственный контакт с всевышним.
Неделимое — делимо!
Атомистика торжествовала. Многообразный мир оказался сработанным примерно из сотни типовых блоков — атомов, или элементов. Однако в самом конце прошлого века, как бы издеваясь над успехами атомной теории, была открыта еще одна частица. Для нее в таблице Менделеева отдельного места уже не нашлось!
Приблизительно к 70-м годам прошлого века среди физиков все более крепло убеждение в том, что точно так же как все вещества составлены из крошек атомов, так и поток электричества должен быть сформирован из очень малых дискретных порций — элементарных зарядов.
К открытию электрона — а именно о нем пойдет дальше речь — причастны многие выдающиеся ученые, но последнюю точку в этом деле поставил английский физик, член Лондонского королевского общества Дж. Томсон (1856–1940).
Объектом изучения для Дж. Томсона стали катодные лучи. Они возникают при прохождении электрического разряда через сильно разреженные газы. Какова природа лучей? Ученые долго бились над этим. Много лет исследованию этого явления посвятил и английский физик У. Крукс (1832–1919). Он обнаружил: эти лучи искривляют свой путь в магнитном поле; их отталкивают отрицательно заряженные тела; распространение этих лучей прямолинейно; если на пути лучей поставить какой-либо объект, то за ним довольно отчетливо наблюдается тень…
Как же правильно истолковать все эти факты?
