Читать интересную книгу Охота за кварками - Юрий Чирков

Физики внимательно читают «Книгу природы», но не знают, где у нее начало, где конец. Листают случайные страницы, к тому же написанные на непонятном языке. Время от времени появляются новые действующие лица (кварки?). Чтобы понять их роль в повествовании, приходится напрягать воображение, логику, интуицию для хотя бы приблизительного понимания авторского замысла.

Изучая микромир, человек все глубже погружается в царство абстракций, которое не может не быть странным и таинственным. Не хватает понятий, ярлыков, да и просто слов для обозначения удивительных объектов и закономерностей.

Самолет плюс бабочка

Ученые, исследующие микромир, как и все люди, делятся на оптимистов и пессимистов. И отношение их к своему делу различно. Послушаем их разговор.

Пессимист. Наука похожа на сражение. Вспомним ее историю: какое это трагическое зрелище! Следы поражений здесь гораздо многочисленней, чем памятники побед. Оглядите разбросанные остовы покинутых систем, учений, где полным-полно теорий, устаревших, как примитивные каменные орудия. А сколько тут вдребезги разбитых истин, пользовавшихся некогда всеобщим признанием. Разве все ото не похоже на то, будто здесь пронесся шквал, ураган разрушительной войны, потрясший страну науки?

Оптимист. Война? Но природа вроде бы вовсе и не скрывает своих тайн. И не оказывает никакого противодействия, не сопротивляется, не хитрит. Она равнодушна, как сфинкс. Кроме того, успехи ученых совершенно необратимы. Контрнаступления не будет. Трепещущая у нас в руках прекрасная пленница ИСТИНА — навсегда останется нашим трофеем.

Пессимист. Пусть так, и все-таки это война, вот только вести ее приходится… вслепую! У нас нет карты территории, которую занимает «противник», поэтому такую большую роль играет догадка, внезапное озарение.

Артиллерия ученых бомбит вражеские эшелоны почти наобум. Ведь ориентирами служат вещи случайные — интуиция, вехи, расставленные научной школой, личными склонностями и пристрастиями ученого, научной модой и многими другими, в сущности, не очень серьезными причинами. И только огромное дымное облако взрыва показывает в случае успеха, что мы чудом нащупали и взорвали склад боеприпасов или военный завод.

Оптимист. Все не так безнадежно, как кажется.

У нас имеются надежные путеводные нити в наших странствиях по микромиру. Оценить увиденное там нам помогут ВЕЛИКИЕ ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ. Даже школьникам известна сила законов сохранения энергии, импульса, электрического заряда… Природа как бы подобна огромной шахматной доске с миллионом фигур. И нам вначале необходимо разобраться хотя бы в правилах этой мудрой игры. Так постепенно мы узнаем законы движения фигур на доске. К примеру, видим, что белопольный слон движется всегда только по белым квадратам. С каждой новой «позицией» мы все более убеждаемся в верности наблюдений. Так можно кое-что узнать об игре, не вдаваясь, однако, в доскональное ее изучение. Так удается выяснить некие инварианты, неизменные качества природы…

Да, в последних словах оптимиста есть большой смысл. В мире элементарных частиц, в этой СТРАНЕ НЕВЕДОМОГО, физики руководствуются соображениями, которые непосвященным, не привычным к подобным манипуляциям могут показаться довольно странными.

Представьте себе громадные весы, на одной чаше которых лошадь и мышь, на другой — корова и собака.

И некоего физика, утверждающего, что лошадь + мышь могут превратиться в корову + собаку, так как, дескать, ни один из восьми законов сохранения веса, количества живности, числа голов, глаз, хвостов, лап (проверьте, пожалуйста, сами), числа млекопитающих и свойств волосатости — не нарушен.

Тот же филин в то же время не примет, однако, такое «равенство»: самолет плюс бабочка равняется вертолету плюс альбатросу. И заметит при этом: хотя сумма веса, количество объектов, число моторов остаются неизменными, но суммарное число крыльев (вертолет!) оказывается разным.

Вот они, законы сохранения, в действии. Но чтобы показать незыблемость и неукоснительность выполнения этих законов, обратимся к конкретному примеру из недавней истории физики высоких энергий.

Частицы со странностью

Открытие было сделано в 1947 году. Регистрируя космические лучи в камере Вильсона, ученые обнаружили следы подозрительных частиц.

Затем два года поиски этих частиц шли безуспешно.

Пришельцы из космоса больше не появлялись. И только после того, как камеру подняли высоко в горы, где интенсивность космических лучей заведомо больше, новые частицы стали регистрировать уже почти ежедневно.

Так (позже перешли к исследованиям на ускорителях) были открыты элементарные частицы нового класса — нейтральный лямбда (Л) — гиперон, К-мезоны, антисигма-минус-гиперон (2~) и другие.

Семейка эта надолго приковала внимание исследователей своими необычными свойствами. Прежде всего подозрительным было время их жизни — 10-10 секунды.

Неспециалист, узнав про этот факт, может подумать: «Да, действительно, я не могу представить себе, каким образом какой-либо объект может разваливаться так быстро».

Однако загадка была совсем в другом. Не в том, что новые частицы распадались так быстро, а, наоборот, почему это они живут в миллионы миллионов раз больше, чем известные до того частицы той же «весовой категории» (близкие по массе и свойствам).

Для физиков это было так же неожиданно, как если бы они встретили на улице человека, прожившего 100 тысяч лет, или, скажем, слона с крылышками и на курьих ножках.

Другое интригующее свойство новых частиц заключалось в том, что они появлялись только парами (иногда, правда, и в большем количестве). Но никогда не наблюдались поодиночке или в паре с нормальными частицами.

Чувствовалось: эти «новенькие» обладали каким-то особым, дотоле неведомым, свойством. Действовал какой-то новый закон сохранения.

Из обычных коровы и льва (вспомним манипуляции физика в прошлой главке) можно смастерить двуногого льва и шестиногую корову, но никак нельзя их обоих сделать двуногими или двуглавыми — не позволяет закон «сохранения частей тела».

Вот и у новых частиц было нечто — обозначим это «нечто» буквой S, — что обязано было сохраняться.

Рассуждения тут таковы. У исходных обычных частиц S = 0, а у родившейся в результате ядерных метаморфоз пары необычных частиц значения S уже отличаются от нуля: они равны по абсолютной величине, но отличаются знаками. Скажем, у одной частицы S = +1, у другой S = -1, давая в сумме (закон сохранения частей тела!) тот же ноль.

Так к труднопонимаемым терминам — барионный заряд, спины и т. д. добавился еще один. И человек, сформулировав закон сохранения вот этой странности, сделал еще один шаг в область, куда обыденному, привычному, вход настрого запрещен.

С легкой руки М. Гелл-Мана новое свойство элементарных частиц стали называть «странностью» (Strange, здесь и истоки обозначения S). Так слово «странность» перестало обозначать только удивление парадоксами микромира, превратившись в узаконенное физическое понятие. Странность как бы материализовалась!

Открытие это, естественно, нашло отражение и в концепции кварков. Один из знаменитой тройки — А-кварк — пришлось наделить еще и странностью (два других кварка, р и п, физики считают не странными). Поэтому, к примеру, положительно заряженный К-мезон (частица странная) должна состоять из р-кварка и А-антикварка — носителя странности.

И еще одно обстоятельство делает странность поистине странной. Быстро выяснилось, что в отличие от других строгих законов сохранения странность иногда сохраняется, иногда нет.

При сильных (ядерные силы) или электромагнитных взаимодействиях суммарная странность всегда сохраняется. Однако процессы со слабым взаимодействием идут (сюрприз для физиков) с нарушением странности.

Было о чем задуматься ученым мудрецам!

…И посрамил черта

В мифах древних греков говорится о кентавре — получеловеке-полулошади. Таким же кентавром среди элементарных частиц выглядит и кварк. А ведь кварки, как надеялись физики, должны были представлять собой самые простейшие частицы!

Кентавр человеку кажется лошадью, а лошади, должно быть, — человеком. На самом деле он похож (хоть его никто и не видел) и на лошадь, и на человека. Но в любом случае можно сказать, каков он. Эта определенность, как мы убедимся далее, отличает человеческие фантазии от фантазий природы.

Писатели, поэты, просто мечтатели не раз пытались в своих грезах выйти за пределы немного, создать образы немыслимого И на первый взгляд им это удавалось. Вот образчики.

Перо англичанина Д. Биссета сотворило крококота.

(В повести «Забытый день рождения» писатель пишет: «Одна половина у мистера Крококота была котом, другая — крокодилом. Он был единственным в своем роде крококотом и жил очень уединенно в небольшой пещере посредине Африки и ни с кем никогда не виделся».) Это существо, которому славно жить, ибо ему всегда есть кому сказать «спокойной ночи»…