Кварки, протоны, Вселенная
Шрифт:
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
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 —
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.
Можно, однако, совершить обходной маневр и решить задачу иным способом.
Космические частицы сверхвысокой энергии очень редки, зато они падают на нашу планету уже несколько миллиардов лет, и за это время они могли образовать очень много кварков и антикварков. А однажды образовавшись, кварк и. антикварк уже не в состоянии исчезнуть — им некуда спрятать свой дробный заряд. Если кварк (или антикварк — все равно) распадется, то среди его осколков непременно окажутся частицы с дробным зарядом. Ведь электрический заряд сохраняется, и если вначале он был дробным, то и сумма зарядов продуктов распада будет тем же дробным числом. Если кварк будет поглощен какой-либо другой частицей, допустим, одним из нуклонов, то образуется новый объект, но опять-таки с дробным зарядом. От дроби никуда не денешься!
Рожденные космическими лучами кварки и антикварки должны постепенно накапливаться в веществе Земли, Луны и внутри блуждающих в космическом пространстве и изредка падающих на Землю метеоритов.
Конечно, блуждая по свету, кварк рискует столкнуться с антикварком, обладателем противоположного заряда, и тогда может произойти их аннигиляция — превращение в обычные частицы с целочисленными зарядами (если только суммарный заряд в конце и вначале будет равен нулю). Но мы уже знаем, что если кварки и содержатся в окружающем нас веществе, их концентрация там настолько мала, что вероятность встречи кварка с антикварком ничтожна,