Охота за кварками - Чирков Юрий Георгиевич

Да, ломка представлений была капитальной. В старой физике скорости и координаты было достаточно, чтобы полностью определить движение макроскопического тела, летящего камня, например. А вот пути электрона или другой какой-нибудь микрочастицы воистину оказывались неисповедимы! Ибо согласно формулам квантовой механики можно указать (и вычислить) только вероятности тою, что электрон находится в той или иной точке пространства. (А значит, необходима информация о бесконечном числе величин, а не только о координате и скорости.)

Но раз так, то получается, что электрон всюду и нигде! И вот это представить себе уже довольно трудно.

А может, трудность это мнимая? И надо просто предоставить вещам быть такими, каковы они есть?

Обсуждая однажды парадоксы квантовой механики, член-корреспондент АН СССР физик-теоретик Е. Фейнберг напомнил одну английскую шутку, как черт поймал трех путников и согласился отпустить их, только если они зададут ему невыполнимую задачу. Один путник — жадина — наивно попросил сделать растущее дерево золотым, другой — рационалист — заставить реку течь обратно.

Черт шутя справился с этим и забрал обе души. Но третий путник свистнул, сказав: «Пришей к этому пуговицу»! — и посрамил черта.

Как нельзя пришить пуговицу к звуку свиста, так безнадежно и представлять себе траекторию электрона, коль он к тому же еще и волна!

Играет ли бог в кости?

Известен призыв (принадлежит Н. Бору) создавать теории «как можно более безумные». Считается, что только на этом пути удастся осмыслить диковины, которые ученые находят во вновь открываемых ими «странах» природы. Однако на дело не о «безумных» идеях скорее идет тут речь, а о том, чтобы по возможности освободить себя от всех биологических и психологических пут и тенет, столь мешающих нам осваивать новое знание.

Трудность та, что приходится ломать привычные нам (понятие траектории электрона!) представления о пространстве, времени и материи, и это вызывает в нас какой-то внутренний протест и сопротивление.

Кварки и другие чудища микромира настойчиво внушают нам: при входе в микромир надо непременно сбросить «галоши» антропоморфизма, сиять «очки» так называемого здравого смысла и сдернуть «плащ» шелухи человеческих мерок и привычек. Все это дается человеку с большим трудом, шокирует, травмирует… В самом деле, человек, словно змея, должен менять, непрерывно сбрасывать «кожу» своих представлений.

Ну, заметит читатель, то, что трудно нам, должно быть, легко дается ученым? Они-то, видно, словно рыба в воде, прекрасно чувствуют себя в электронных и прочих волнах квантовой механики? Увы, это не совсем так.

Вот что пишет Р. Фейнман: «Было время, когда газеты писали, что теорию относительности понимают только двенадцать человек. Мне лично не верится, что это правда. Возможно, было время, когда ее понимал всего один человек (имеется в виду ее автор. — Ю. Ч.), так как только он разобрался в том, что происходит, и не написал еще об этом статьи. После же того как ученые прочли эту статью, многие так или иначе поняли теорию относительности, и, я думаю, их было больше двенадцати.

Но, мне кажется, я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает…»

Преувеличение? Желание поразить читателя? Нет, ведь даже А. Эйнштейн также не понимал квантовой механики. Он никак не мог согласиться со статистическим характером микроявлений. «Господь-бог не может играть с миром в кости», — упрямо настаивал он.

Ученый был непоколебимо уверен в рациональном устройстве мира. Его вдохновляли порядок и логика, якобы царящие в нем. Хаоса в природе он не признавал.

Однако с появлением квантовой механики все эти дорогие его сердцу принципы были поставлены под сомнение.

Часть ученых пришла к выводу, что в микромире нет того образцового порядка, который мы привыкли встречать в макромире. Что здесь всем правит Его Величество Случай.

«Заблуждение, — возражал на это А. Эйнштейн, — вероятности необходимы только для того, чтобы прикрыть наше невежество… законы природы причинны. Бог не играет в кости…»

В октябре 1927 года в Брюсселе собрался V Сольвеевский конгресс. Съехались самые видные физики планеты.

Прибыл и автор теории относительности, и творцы только что родившейся квантовой механики ждали, что он благословит новые идеи. Вышло же все по-иному.

В первый же день за завтраком в гостинице, еще до начала официальной работы конгресса, он предложил своим коллегам некий воображаемый эксперимент (обычный прием теоретиков), который, по его мнению, показывал противоречивость квантовой механики.

«Это был трагический момент, — вспоминал позднее Н. Бор. — Ведь если бы Эйнштейн оказался прав, то все рухнуло бы!..»

Весь день на заседаниях, в перерывах, даже во время обеда физики обсуждали эйнштейновский эксперимент.

«К вечеру Бор в основном закончил анализ, — пишет другой очевидец этих событий, В. Гейзенберг, — и за ужином изложил его Эйнштейну. Откровенно говоря, Эйнштейн не мог что-либо возразить против этого анализа».

Еще много раз пытался великий ученый опровергнуть основные постулаты новой науки, однако квантовая механика устояла.

В 1949 году, вскоре после своего семидесятилетия, А. Эйнштейн с горечью писал своему старинному другу М. Соловину: «Вы думаете, что я с чувством полного удовлетворения смотрю на дело всей своей жизни. Вблизи же все выглядит иначе. Нет ни одного понятия, относительно которого я был бы уверен, что оно останется незыблемым.

Я даже не уверен, что нахожусь на правильном пути вообще. Современники же видят во мне еретика и реакционера, который, так сказать, пережил самого себя».

Так до конца своих дней он и не примирился с квантовой механикой, по-прежнему считая ее вопросом научной моды и даже недомыслием ее адептов.

Кварки становятся цветными

Какого цвета элементарные частицы?.. Этот вопрос задавал многим физикам Г. Копылов, автор интересной книги про микромир («Всего лишь кинематика»).

Ответы были разными. При этом многие сошлись па мнении, что протон наверняка черный, если не красный.

Но показательно: высказывались только физики-теоретики, физики-экспериментаторы же, как правило, отмалчивались.

Получился, пишет Г. Копылов, хороший тест, позволяющий отличить потенциального теоретика от экспериментатора. Если вы, студент-физик, не чувствуете цвета частиц — не идите в теоретики!..

Когда впервые прозвучало слово «кварки», их было всего три. Известно было, что из этих элементов вроде бы можно построить любой адрон. Можно! Но только вот…

Оказывается, размещать кварки внутри частиц произвольно нельзя. Для них, как для зрителей в театре, должны быть отведены вполне определенные, строго пронумерованные квантовые «места».

Негоже двух (тем более нескольких) зрителей сажать в одно и то же кресло. Но именно это, казалось бы, делали теоретики с кварками. Внутри некоторых частиц билеты с одним и тем же номером получали сразу два, а иногда и три кварка.

Например, омега-минус-гиперон должен состоять из трех одинаковых странных кварков, причем одинаковыми у них должны быть и направления спинов. (Когда физики вводили понятие «спин», то предполагалось, что частицу, скажем, электрон, можно рассматривать как «вращающийся волчок», и его спин — от английского spin — вращаться, вертеться — и есть характеристика такого вращения.)

Все кварки — частицы с полуцелым спином: значит, выражаясь языком квантовой механики, они являются фермионами. Но фермионы (к ним относятся и электроны) не имеют права (действует так называемый принцип запрета Паули, ответственный, в частности, за живописное разнообразие электронных оболочек в атомах различных химических элементов) «быть вместе», находиться в одинаковом состоянии.

Тупик? Катастрофа для концепции кварков? Но противоречить канонам и прописям могущественной квантовой механики, которая до этого праздновала одну победу JA другой, было рискованно. Нет, что-то здесь было не так!