Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная

• Название: Кварки, протоны, Вселенная
• Автор: Владилен Барашенков
• Издательство: Знание
• Жанр: Физика
• Год: 1987

В книге рассказывается об узловых проблемах современной физической картины мира: о черных и белых дырах во Вселенной, о «прелестных», «ароматных» и «цветных» частицах — кварках, о космических мирах, спрятанных внутри частиц, о пустоте, которая оказывается не пустотой, а материальной субстанцией, о квантах пространства и квантах времени, о гипотетических монополях и антивеществе.

Для широкого круга читателей.

---

Лестница структурных форм и связанных с ними физических законов неисчерпаема. С этой стороны нет никаких ограничений бесконечному развитию фундаментальных наук, хотя природа, конечно, не похожа на бесконечный ряд вложенных одна в другую матрешек. Мир устроен гораздо сложнее.

Надежды раз и навсегда построить Единую Всеобъемлющую Теорию природы несбыточны еще и в другом отношении. Верно, что в тех областях, где мы ее уже изучили, окружающий мир построен по принципу уровней-этажей. Фундаментом биологии, связанной со сложными белковыми молекулами, служит химия, законы которой, в свою очередь, основаны на атомной физике. Атомная физика покоится на теории атомного ядра, уходящей своими корнями в физику элементарных частиц. Но вот что важно: хотя рассматриваемый уровень всегда определяется более глубоким, первый ко второму никогда свести нельзя. При переходах с уровня на уровень происходит не только количественное усложнение, но и качественное изменение всех закономерностей. Самый настоящий качественный скачок в философском, диалектическом смысле.

Возьмем еще раз, к примеру, химию — науку о соединениях атомов и молекул. Простые соединения, скажем, двухатомную молекулу водорода, можно точно рассчитать с помощью квантовой механики. Но вот вычислить свойства многоатомных молекул уже не удается, так же как не удается вывести статистические законы газов из уравнений для отдельных газовых частиц. И дело не только в том, что уравнения становятся слишком сложными. В ходе расчетов обязательно приходится переходить от конечного числа элементов — атомов или газовых частиц — к обобщенному понятию «много», а этот переход связан с дополнительными предположениями, которые никак не вытекают из уравнений для конечного числа элементов. В этом-то как раз и состоит качественный скачок!

И уж совсем безнадежны попытки свести мышление к одним физическим законам. Двести лет назад французские ученые-энциклопедисты представляли себе мысль как нечто осязаемо материальное; они даже сравнивали ее с желчью, выделяемой печенью. Современная физиология от таких примитивных представлений ушла очень далеко. Безусловно, мысль возникает на основе физических процессов — в этом нет сомнения, однако соединить ее непрерывной ниточкой с физикой нельзя: на этой ниточке множество узелков и скачков-разрывов. В общем, у каждой науки — свое поле деятельности, и ни одну науку заменить другой невозможно.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ

в которой объясняется, почему мы не видим кварков, рассказывается о кварковых мешках, глюонных струнах и о новой науке — квантовой хромодинамике

Один из моих знакомых журналистов, попав на семинар физиков-теоретиков, с удивлением слушал, как его участники вполне серьезно говорили о кварковом супе, глюонном клее и об эластичных мешках-авоськах, на полненных кварками. «Странное дело,— говорил он потом.— Они обращаются с кварками и глюонами так, будто это горох или картошка! Откуда такая уверенность, ведь эти частицы еще никто никогда не видел!»

Кварки вошли в физику подобно троянскому коню. Придумали их два американских теоретика, Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг, для того, чтобы сделать более симметричной составленную ими таблицу элементарных частиц. Название для новых частиц было взят из романа ирландского писателя Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Мало кто поначалу верил в реальность кварков. Уж очень необычными были их свойства. Большинство ученых считали их всего лишь неким теоретическим курьезом, временными строительными лесами на пути к более совершенной теории. Однако не успели физики оглянуться, как кварки проникли буквально всюду. Неожиданно для всех оказалось, что с их помощью очень просто и наглядно объясняются самые различные экспериментальные факты и сильно упрощаются теоретические вычисления. Без кварков теперь просто невозможно обойтись — так же, как, например, в химии нельзя обойтись без атомов и молекул. И конечно, самое поразительное то, что реальных кварков действительно еще никто не видел, хотя с тех пор как их изобрели, прошло уже два десятка лет. Подобно подпоручику Киже из рассказа Юрия Тынянова, кварки «присутствуют, но фигуры не имеют».

Так в чем же здесь дело? Еще не поставлен нужный опыт? Или, может быть, элементарную частицу просто нельзя разделить на кварки, как, например, нельзя разделить магнит на два несвязанных магнитных заряда — северный и южный? В детстве, наверное, каждый из нас не однажды проделывал такой опыт и убеждался, что все равно получаются два магнита и каждый с двумя полюсами.

Как и всякая заряженная частица, проходящая сквозь вещество, кварк взаимодействует с атомарными электронами. Их орбиты в удаленных атомах искажаются, а те электроны, которые находятся вблизи траектории кварка, срываются его электрическим полем, и атомы превращаются в заряженные ионы. Чем больше заряд частицы, тем большим числом поврежденных атомов усеян ее путь в веществе. Это свойство и используется в большинстве опытов по поиску кварков: ведь их электрические заряды отличаются от зарядов всех других частиц. Если заряд электрона принять за единицу, то заряд кварка, как мы уже говорили, будет дробным: у одного он скажется равным двум третям, у двух других — одной трети. Дробные заряды имеют также «прелестный» и «очарованный» члены кваркового мультиплета. Сравнивая плотность цепочки образовавшихся ионов с ионными следами известных частиц, можно определить заряд пролетевшей сквозь вещество частицы. Правда, плотность ионного следа зависит и от других параметров частицы — от ее массы и скорости, но их влияние можно учесть, вводя необходимые поправки. Прохождение заряженных частиц сквозь вещество хорошо изучено, и поправки вносятся с высокой точностью.

В отличие от нейтральных атомов ионы очень активны. Они служат центрами конденсации в среде, состоящей из пересыщенного пара, затравочными неоднородностями, вокруг которых мгновенно образуются пузырьки газа в перегретой, готовой закипеть жидкости. И в химическом отношении ионы активнее атомов: поэтому если облученное вещество обработать соответствующим составом-проявителем, траектории частиц станут видимыми и тем отчетливее, чем больше их электрический заряд.

В помещениях с повышенной радиоактивностью частицы оставляют свои «автографы» на фотопленке: метод фотоэмульсий — тщательно отработанный и хорошо себя зарекомендовавший метод наблюдения за невидимыми частицами. Дополнительные возможности наблюдать за ними дает магнитное поле. Оно изгибает траектории проходящих сквозь вещество заряженных частиц. Величина изгиба зависит от абсолютного значения заряда частицы, а его направление (влево она изгибается или вправо) — от знака заряда.

Словом, в распоряжении физиков немало способов сделать следы заряженных невидимок видимыми. Hо годятся ли они для поиска кварков? За последние 20 лет в разных странах проведено огромное количество опытов по поиску кварков. Частицы с дробными зарядами искали среди мезонов, рождающихся при аннигиляции протонов с антипротонами, в струях вторичных частиц, образуемых в мишенях высокоэнергетическими протонами, во многих других реакциях. Искали в космических лучах и на ускорителях. И конечно, использовали все методы регистрации, какие только изобретены. Но все безрезультатно.

В то же время, как уже было сказано, опыты по «просвечиванию» протонов и нейтронов пучками лептонов (электронов и нейтрино) определенно говорят за то, что эти частицы содержат внутри себя «зерна» с дробными электрическими зарядами и другими свойствами, какие должны быть у кварков. Парадокс!

Может, дело в том, что силы, связывающие кварки и антикварки в элементарных частицах, так велики, что энергии современных ускорителей просто не хватает чтобы их разорвать? Оттого никто и не может увидеть свободных кварков? Предположим, что кварк — тяжелая, массивная частица, но только в свободном, изолированном состоянии, когда он находится вдали от других кварков. При сближении между кварками возникает сильное поле взаимодействия, взаимное притяжение которого нейтрализует, «гасит» большую часть их массы (с ними происходит то же, что и по закону Архимеда с телом, погруженным в ванну, только здесь они погружены в «полевую ванну»). Выбить кварк из «полевой ванны» можно, лишь выстрелив в него очень быстрой частицей, обладающей большой кинетической энергией. Поэтому, если кварки — частицы очень тяжелые, в современных ускорителях их «выковырять» невозможно.

Конечно, есть еще космические лучи, где встречаются частицы, чья энергия в тысячи и даже в миллионы раз превосходит ту, что можно получить в самых мощных ускорителях. Энергии сверхвысокоэнергетических частиц из космоса достаточно, чтобы расколоть самый твердый кварковый «орешек», но таких частиц мало, и опыты с ними не точны. Поэтому, может быть, и не были замечены те редкие случаи, когда космические частицы раскалывали нуклонные «орешки» на кварки. Таким образом, если кварки действительно очень тяжелые частицы, обнаружить их в реакциях расщепления будет неимоверно трудно, почти безнадежно. А строить ради этого фантастически мощные ускорители — дело очень сложное и дорогое.