Годовые кольца истории - Сергей Георгиевич Смирнов

политический противник создал сверхбомбу, которой у тебя нет! Опыт ядерной гонки во второй мировой войне и ядерного шантажа после нее въелся в мозги всех политиков; теперь наряду с гонкой вооружений идет гонка ускорителей. Впрочем, вторая гонка пока обходится ее участникам раз в 50 дешевле…

Но 50 – не такое уж большое число, а аппетиты экспериментаторов быстро растут. Только что опыт на ускорителе в Брукхейвене показал, что протон не точечная частица, а имеет “зернистую” структуру. Что это за зернышки ? У теоретиков уже готова догадка: возможно, это кварки – загадочные частицы с дробным электрическим зарядом, недавно предсказанные Гелл-Манном из математических соображений ? Увы, эта гипотеза - не единственная; для установления истины нужны опыты на ускорителе с энергией раз в 10 больше, чем у нынешних. Кто бы дал на это деньги американским физикам, если бы не гонка вооружений между США и СССР ?

А так – деньги найдутся, ускорители будут построены, и существование кварков станет фактом. У физиков сразу возникнут новые вопросы. Сколько разных кварков в природе ? Почему они не наблюдаются в чистом виде, а лишь в составе сложных частиц? Какова связь между кварками и прочими элементарными частицами: электроном, мюоном, нейтрино, и так далее ? Наконец, являются ли сами кварки физическими точками, или у них тоже есть “потроха” ?

Ответ на каждый такой вопрос становится новой аксиомой физики; добыча этих аксиом требует новых экспериментов, все более дорогих. А гонка вооружений имеет свои пределы: ведь она разоряет всех участников. Кто-то первый не выдержит и сойдет с дистанции; что тогда делать его сопернику ?

Это выяснится в 1990-е годы, когда СССР развалится, а его преемники окажутся банкротами. Постройка новых ускорителей в США сразу прекратится, и физикам придется искать более хитрые (зато более дешевые) пути постижения неисчерпаемой Природы.

К счастью, не все эксперименты дороги и вытекают из запросов какой-то теории. Есть “затравочные” эксперименты, которые просты и дешевы, но дают неожиданные результаты и потому становятся источником новых теорий. К концу 1960-х годов немало таких экспериментов накопилось в пренебрегаемой именитыми учеными физике неравновесных систем. Понятно недоверие теоретиков к этим объектам: ведь их поведение почти невозможно прогнозировать, и обычно непонятно, как ими управлять.

Например, ячейки Бенара: это шестиугольная сетка, которая сама собою образуется при конвекции в масле, налитом на глубокую, подогреваемую снизу сковороду. Другой пример – циклическая реакция Белоусова, в которой почему-то долго не устанавливается равновесие; вместо этого концентрации веществ-реагентов медленно колеблются с большой амплитудой, подобно маятнику. Третий пример – странный аттрактор Лоренца: он впервые встретился среди решений метеорологических уравнений (что может быть неустойчивее погоды ?), но яснее всего он проявляется в излучении радиогенератора, мощность которого растет.

В первых двух примерах из хаоса рождается некий порядок, в третьем случае – наоборот. Но во всех явлениях ПУТЬ от хаоса к порядку или обратно оказывается своеобразным: он допускает математическое описание на языке возможных симметрий! Новая теория кажется дополнением к привычной физике частиц: там нужна классификация всевозможных симметрий в точке, а здесь классификации подвергаются разные пути между данными симметриями. Похоже, что ВСЯ геометрия загадочного пространства симметрий (или представлений групп) приобретает интерес для физиков!

Это очень заманчиво: ведь если разобраться в симметриях всевозможных ПЕРЕХОДОВ между частицами, то станет понятно, каким был наш мир ДО появления протонов! А может быть – и кварков ? Или в ту пору, когда кварки были неотличимы от электронов, нейтрино и прочей их родни ?

Теоретики Вайнберг, Салам и Глэшоу только что создали красивую теорию “малого объединения” электромагнитных и слабых взаимодействий среди элементарных частиц. Их модель ждет проверки на ускорителях нового поколения – и получит подтверждение в 1983 году, с обнаружением W и Z-бозонов. Из этих же опытов физики впервые узнают, сколько в природе разных кварков: шесть штук, не больше!

Очень хочется расширить “малое” объединение до “большого”, включив в него сильные взаимодействия частиц – те, что ответственны за свет Солнца и взрыв водородной бомбы. Наметки такой теории уже готовы. Но увы в ней фигурируют частицы столь большой массы, что нет надежд когда-либо получить их в ускорителе или найти среди космических лучей! А на горизонте маячит “великое” объединение всех природных сил, включая гравитацию. То, о чем грезили Ньютон и Эйнштейн, может стать реальностью лет через 20 – если будет где проверить предсказания новых сумасшедших теорий и исправить их, согласно результатам проверки…

Напротив – угадать столь сложную теорию с первой попытки невозможно так же, как невозможно попасть в Луну ракетой без коррекции ее скорости во время полета. Таким образом, не рождение, а ВОСПИТАНИЕ новых теорий из начальных хулиганских гипотез становится центральной проблемой теоретической физики 20 века. Оттого все большее внимание физиков привлекают процессы самоорганизации в не очень сложных, но неустойчивых системах вроде замерзающей воды, или масла на горячей сковороде, или колец Сатурна.

Двести лет назад последний великий натурфилософ Европы – Кант предположил, что эти кольца – зародыши будущих спутников планеты, а сами они родились при захвате кометы Сатурном. Тогда никто из физиков не оспорил гипотезу Канта: не было сил проверить ее математическим расчетом или наблюдением в телескоп. Но теперь ситуация переменилась: расчеты на компьютерах доказали возможность захвата кометы планетой, у которой уже есть хоть один спутник. Компьютерный анализ соответствующего уравнения показал: среди решений обязательно встретятся странные аттракторы Лоренца! Хорошо бы взглянуть на кольца Сатурна в упор - с расстояния в сотни (а не сотни миллионов) километров…

Это тоже возможно в эпоху первых космических путешествий. В 70-е годы американские зонды пришлют на Землю фотографии колец Сатурна – и у физиков дух захватит от фантастически сложного сплетения газово-снежных вихрей. Это будет первый портрет странного аттрактора, изготовленный самой природой и доступный человеческому взору без посредства компьютеров и осциллографов. Если бы такое чудо увидели Гюйгенс и Ньютон в 17 веке – насколько ускорился бы прогресс физической науки!

Даже в 1969 году очень немногие физики догадываются, что странные аттракторы – это первые математические портреты АТОМОВ ЭВОЛЮЦИИ. Между тем, атомы вещества сделались привычны для ученых еще в начале 19 века, а атомы наследственности (гены) – веком позже. В 1969 году физики знают об атомах вещества практически все – включая форму и строение их ядер, всю их энергетику. Немало известно и об атомах наследственности: в 1953 году Уотсон, Крик и Уилкинс выяснили строение ДНК, через 8 лет был открыт химический алфавит генетики, а в 1968 году