Охота за кварками - Чирков Юрий Георгиевич

Сходя вниз по ступенькам микромира, мы встречаемся с такой характерной ситуацией: в области, на два-три порядка (в 100-1000 раз) меньшей, перед нами раскрывается, как правило, новый мир физических объектов и новых, до сих пор неизвестных нам закономерностей. Да, по размерам вроде бы новая матрешка. Но приглядитесь внимательней: узор росписи, форма, цвета — все стало совсем иным!

В областях с размерами 10-5-10-7 сантиметра исследователи проникли в мир кристаллов, атомов — возникла кинетическая теория материи.

Затем, перешагнув еще один-два порядка, человек открыл для себя царство атомных явлений, управляемых квантовой теорией. (Мы помним: эта девица со странностями, капризами!)

На расстояниях 10-11 сантиметра ученых вновь подстерегает неожиданность: при этих энергиях стало возможным рождение светом электронно-позитронных пар, энергия на глазах превращалась в вещество! Эти явления уже описываются релятивистской квантовой теорией.

В пределах 10-12 сантиметра (характерный размер ядер) возникла физика атомного ядра А с расстояний 10-13-10-14 сантиметра началась физика адронов — раскрылся мир так называемых «странных частиц».

Сейчас физики подбираются к масштабам порядка 10-17 сантиметра. Тут должны показаться крепостные валы нового «государства» — Королевства Слабых Взаимодействий. Со своеобразными обычаями и порядками.

Сравнивать все эти метаморфозы материи, этот непрерывный переход количества в качество, эту цепь совершенно но похожих друг на друга областей со скучным строем матрешек уже довольно трудно. Но не в этом только дело. Оказывается, можно высказать и еще более глубокие антиматрешечные соображения.

Кит на воде, вода на ките

Строить большое из малого, тяжелое из легкого — вот правило, которым всегда руководствовались ученые и которое неизменно приносило успех. Этот взгляд на вещи подсказывает человеку здравый смысл, весь уже немалый опыт прошлого. Однако сейчас намечается глубокий кризис концепции слов «состоит из». Приведем простейший, видимо, пример.

Свободный нейтрон, мы помним. — частица нестабильная: вылетев из ядра, он распадается на протон, электрон и антинейтрино. Значит? Значит, как подсказывает логика, прогон входит составной частью в нейтрон.

Но, с другой стороны, при столкновении на ускорителях двух протонов появляется несколько элементарных частиц и среди них… нейтроны Значит? Что, неужели нейтрон является частью протона?..

Позвольте! Кто же из кого состоит? Кто больше, кто меньше? Где часть, где целое?.. Какая-то ядерная карусель получается!

Взаимная превращаемость микрочастиц, возможность рождения и уничтожения их — это все совершенно новые черты, отличающие современный атомизм от атомизма прошлого.

Все мы, будут в цирке, не раз наблюдали за жонглером.

Вот он бросает и ловит шарик. Сначала медленно, затем темп убыстряется. И наконец мелькание шарика воспринимается нами уже как целое облако летающих шариков.

Очень схожим образом, оказывается, ведут себя в ядре протоны и нейтроны. Например, довольно быстро испуская и поглощая обратно пи-мезоны, они создают вокруг себя мезонное облако.

При этом, «излучая» положительно заряженный пи-мезон, протон немедленно превращается в нейтрон. А нейтрон, в свою очередь, испустив отрицательный пи-мезон, становится протоном. Если же идет обмен нейтральными пи-мезонами, все остается прежним: протон — протоном, нейтрон — нейтроном.

Но это не последний цирковой трюк, который может демонстрировать природа. Гораздо более впечатляет другой ее номер.

В процессе взаимопревращений, идущих внутри частицы, в качестве ее составляющей может находиться точно такая же частица, как и она сама, или даже… несколько таких частиц!

В микромире можно наблюдать и такое: протон состоит из протона и пи-мезона, который почти не уступает ему в размерах. Пи-мезон, в свой черед, может состоять из трех таких же пи-мезонов…

Но ведь это противоречит всем нашим обычным представлениям! Это просто бессмыслица, абракадабра, дурной сон! Получается как в волшебной сказке: кит на воде, а вода на ките!

И все же это так. Привычные взгляды о простом и сложном, о целом и части в мире элементарных частиц оказываются совершенно непригодными. И прав был В. Гейзенберг, писавший: «Нашей задачей должно быть приспособление нашего мышления и нашего языка, то есть нашей научной философии, к новой ситуации, созданной данными эксперимента. К сожалению, эта задача чрезвычайно трудна. Неверно поставленные вопросы и неправильные наглядные представления автоматически просачиваются в физику частиц и уводят научные исследования в сторону от реальной природы…»

Целое больше части, а почему не наоборот? Ведь похоже, что в микромире все дозволено. Как и в сумасшедшем доме, в котором побывал бравый солдат Швейк и где он узнал, что внутри земного шара есть другой, значительно больший наружного.

Большое — это большое, малое — это малое, часть не может превосходить целое… Эти и им подобные «приличия» неуклонно соблюдались лишь на верхних ступеньках «лестницы», ведущей вниз, в подвалы материи.

В атомах мы четко отличали мелкую мозаику частей — электроны, ядра — от величественного целого.

И в атомном ядре, хотя тут уже и было довольно тесновато, понятия простого и сложного сохранялись. Ядра состояли из протоков и нейтронов. И размеры ядер были отчетливо больше размеров его частей. Тут все еще царил относительный порядок.

Однако в протоне и в других элементарных частицах «все смешалось». Здесь утверждение о том, что частица состоит из других частиц, носит уже весьма условный характер. Идея вульгарной механической делимости вещества становится тут неприменимой.

Кажется, что с «лестницей» нашей начинает происходить что-то странное. Ступеньки налезают друг на друга, громоздятся, дыбятся. Они кажутся сработанными на глазок, тяп-ляп, уложены как придется, на авось… Уже и не скажешь сразу: спускаемся ли мы или топчемся на месте.

Какие уж там матрешки!

«Демократы» против «аристократов»

В 1929 году в речи, произнесенной на юбилее словацкого ученого-теплотехника А. Стодолы, А. Эйнштейн произнес такие слова: «Если говорить честно… мы хотим не только знать, как устроена природа (и как происходят природные явления), но и по возможности достичь цели, может быть, утопической и дерзкой на вид, — узнать, почему природа является именно такой, а не другой. В этом ученые находят наивысшее удовлетворение. В этом состоит прометеевский элемент научного творчества».

Осуществить эту дерзкую мечту, имея дело с бесконечной (и конечной!) последовательностью матрешек, невозможно. Но что, если природа самозамкнута? Если все се свойства вытекают из самого бесконечного разнообразия ее частей? Что, если каждая элементарная частица состоит… из всех остальных? Чепуха? Ересь?

Кто знает! Не будем спешить с вынесением окончательного приговора. Лучше обратимся к авторитету опыта.

Вновь займемся сидящим в ядре протоном. Вокруг него, как утверждают ученые, имеется сложное ядерное поле сил. Квантами этого поля являются всякого рода мезоны: пи-, ка-, ро- и многие другие частицы — они возникают при искусственно вызванных на ускорителях соударениях частиц.

Поле ядерных сил можно (мы уже отмечали это) представить в виде облака мезонов, «плавающих» вокруг «сердцевины» протона. Эта мезонная «шуба» совершенно неотделима от понятия «протон». Так что протон или, скажем, нейтрон своим существованием обязан и многим другим «элементарным» частицам — на ускорителях отдельные «клочья» этой шубы удается сорвать. Так, словно по волшебству, возникают все новые и новые частицы.

И этот пример — протон и его «шуба» — вовсе не исключение, это правило, теперь уже даже азбука законов микромира.

Вот так, как гром среди ясного неба, с высоты современных достижений пауки, в противовес старым взглядам современная ядерная физика практикой своих экспериментов формулирует ошеломляющий, радикально новый подход к проблеме первоматерии: в микромире, возможно, ВСЕ состоит из ВСЕГО.