Александр Потупа - Бег за бесконечностью

• Название: Бег за бесконечностью
• Автор: Александр Потупа
• Издательство: Молодая гвардия
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1977

В книге рассказывается о современных представлениях об одной из самых быстроразвивающихся фундаментальных наук — физике элементарных частиц. Основное внимание уделено описанию сильновзаимодействующих частиц — адронов их поведению в различных реакциях при высоких энергиях.

---

Но это лишь одна и, наверное, не самая красивая возможность. Самое впечатляющее открытие в области методов ускорения частиц до супервысоких энергий, конечно же, впереди. И в этом особая притягательная сила науки — ее перспективы всегда намного фантастичней, чем могут представить себе самые глубокие и дальновидные пророки.

Нечто подобное происходит, разумеется, и в оценках будущего теории. Возможно, что известные частицы так и останутся в роли мельчайших структурных элементов мира, обладающих свойствами отдельных, в определенной степени «самостоятельных» объектов. Но это ни в коей мере не будет означать, что познание микромира достигло последней ступени. Напротив, именно теперь мы и сталкиваемся с совершенно новыми представлениями о структуре. На очереди понимание закономерностей эволюции частиц в области сильного взаимодействия, постижение картины формирования адронов.

Возникновение и постепенная разработка такой точки зрения — факт совершенно неожиданный для традиционных атомистических представлений, для которых более сложные объекты всегда сводились к конструкции из некоторого числа «простейших кирпичиков». Развивающиеся объекты, структура которых предопределяет конкретную программу их поведения, всегда были в некоторой степени чужды физике.

[Image002]

Примерно так выглядит «ускорительный альпинизм» За 40 лет достигнутые на ускорителях энергии выросли почти в миллион раз. Если такая тенденция сохранится впредь, то к концу нашего тысячелетия они достигнут границы изученного спектра космических лучей.

ОИЯИ — Объединенный институт ядерных исследований в Дубне (СССР).

ЦЕРН — Европейский центр ядерных исследований (Швейцария).

БНЛ — Брукхэвенская национальная лаборатория (США).

ИФВЭ — Институт физики высоких энергий в Протвине (СССР).

ФНАЛ — Национальная ускорительная лаборатория имени Э.Ферми в Батавии (США).

Эта традиция имеет довольно глубокие корни. Уже в фундамент механики Галилея и Ньютона, от которой «и есть-пошла» современная физика, были заложены представления о мире как о сравнительно простой машине, в основе устройства и работы которой лежали один-два фундаментальных силовых закона. В сущности, классики ни в чем не виноваты. Они вырабатывали свои идеи, отражая окружавший их мир, где венцом технической мысли и впрямь были простые механические устройства. И их величайшая заслуга в том, что они преодолели тяжкие путы средневековой концепции, трактовавшей мир как овеществленный «промысел божий» и считавшей собственно научный способ постижения закономерностей природы отнюдь не обязательным.

Но за истекшие три столетия снова многое изменилось. Механистические представления о всеобщности простых машин оказались бессильными перед целым рядом замечательных открытий. И первый феноменально мощный удар по ним нанесла биология, а конкретно — дарвиновская эволюционная теория. Наблюдаемое многообразие живого мира не есть «богом данное членение тварей», а представляет собой продукт длительного развития, восхождения по десяткам тысяч ступеней от простого к сложному, заявил великий английский ученый. И даже человек не является раз и навсегда установленным «венцом творения и носителем частицы духа господня» — он лишь высший этап эволюции земных существ.

Дарвиновские идеи были встречены не только злобными нападками церковников, но и резкой критикой ряда ученых. Ведь развитие было не так-то просто совместить с представлением о неизменной, раз и навсегда заведенной машине. Представьте себе ситуацию, когда сотни и сотни врачей и физиологов познали внутреннее устройство человеческого тела и пришли к выводу, что это какая-то не слишком мудреная комбинация из трубок с жидкостью (кровеносной и лимфатической систем) и мышц, способных к механическому действию. Конечно, большинство из них четко видели, что «помысел господень» тут ни при чем, но законы эволюции были слишком трудны для такого уровня.

Потребовались величайшие усилия — открытие законов наследственности, появление генетики, прорыв к молекулярной структуре клетки, чтобы осознать, что, если аналогия с машиной и имеет какой-либо смысл, то речь должна идти о фантастически сложной, саморазвивающейся машине. Чтобы увидеть первые образцы, точнее далекие прообразы технических устройств высокой степени сложности, пришлось ждать до совсем недавних времен, когда родилась кибернетика и общая теория автоматов.

Сейчас мы понимаем, что гигантские электронные машины в принципе можно запрограммировать на саморазвитие. Достаточно сложная кибернетическая машина способна проектировать и с помощью автоматических устройств воспроизводить себе подобных. При дальнейшем усовершенствовании она сможет улучшить программы своих творений, то есть изготовлять нечто более сложное, чем она сама. Так постепенно сформировался технический эквивалент эволюционизирующих биологических систем, но не следует, конечно, забывать, что пока это лишь эквивалент на уровне идей — реальные возможности действующих «электронных мозгов» еще весьма ограничены, пока просто не соизмеримы с тем, чего добилась природа за миллионы и миллионы лет биологической эволюции.

Собственно, в физику идеи о развивающихся объектах проникли сравнительно недавно, хотя и чрезвычайно впечатляющим путем. В 1922 году замечательный советский математик А. Фридман на основе эйнштейновской теории тяготения показал, что вселенная могла развиваться из некоторого весьма экзотического состояния, существовавшего порядка 10 миллиардов лет назад. Согласно его идеям весь гигантский звездный мир, наблюдаемый невооруженным глазом и самыми мощными телескопами вплоть до фантастических расстояний 1028 сантиметров, прошел множество стадии, причем в очень ранние моменты плотность энергии была чрезвычайно высока. Тогда вселенная ни в малейшей степени не напоминала ту картину, которую мы видим сейчас. Представьте себе, что все галактики спрессованы в комок вещества со средней плотностью, как у атомного ядра. А в еще более ранние моменты плотность намного превышала ядерную, адроны были буквально вжаты друг в друга. Что это было: своеобразное партонное вещество или нечто до сих пор невообразимое?..

…Так или иначе, но, судя по хорошо оправдавшей себя фридмановской модели, вселенная проходила через такие состояния, когда не могло существовать обычных элементарных частиц, во всяком случае, они были погружены в среду такой плотности, которая исключала сколь-нибудь макроскопический свободный пробег. Что же предопределило появление наблюдаемого адронного многообразия и где была записана программа формирования сложных микрообъектов?

Так смыкаются, казалось бы, предельно далекие друг от друга проблемы самого большого и самого малого, возникают внешне фантастические взаимосвязи между историей и структурой вселенной в целом и законами поведения частиц при высоких энергиях.

Вот, скажем, такая любопытная история. Предположим, что нам удалось устроить мишень из макроскопического кусочка вещества ядерной плотности и сфокусировать на ней вполне реалистический по современным понятиям протонный пучок из 1013 частиц с энергией 1000 ГэВ. При этом в мишени выделилась бы довольно приличная энергия, примерно 1013 эрг, то есть того же порядка, что и при взрыве килограмма тринитротолуола. Это, конечно, настоящий взрыв, но ведь для действия взрыва основную роль играет не столько энергия, сколько его мощность, то есть энерговыделение в единицу времени. Теперь-то мы и придем к фантастическим числам — ведь адроны теряют энергию в ядерном веществе чрезвычайно быстро, примерно за 10–23 секунды. Поэтому мощность полученного взрыва окажется эквивалентной той, которая наблюдалась бы при одновременном взрыве приблизительно 100 миллионов мегатонных водородных бомб, то есть около 1036 эрг в секунду! Повышая число частиц в импульсе всего в десять раз, а энергию ускорителя — в тысячу раз (а это, как говорится, не за горами!), мы столкнемся примерно с такими же мощными взрывами, какие происходят при вспышках Сверхновых звезд (1039–1041 эрг в секунду). Не хватает совсем немногого, получить в лабораторных условиях комочек ядерного вещества макроскопических размеров, хотя бы порядка пространственного разброса сфокусированного протонного пучка…

Впрочем, с впечатляющими цифрами можно встретиться и при рассмотрении элементарных актов, например, для процесса столкновения тяжелых атомных ядер типа урана с огромными, пока еще не достижимыми энергиями.

Два разных, на первый взгляд бесконечно далеких мира: адроны и звезды… Одно из самых последние завоеваний человеческого разума и одно из первых наблюдений, заставивших согласно красивой легенде впервые распрямиться наших еще не шибко образованных, но уже довольно любопытных пращуров. Но наш смелый век стал стремительно наводить мосты между этими мирами.