Охотники за частицами

Виталий Исаакович Рыдник

Охотники за частицами

Крошечные фигурки, зажав в руках копья, подкрадываются к огромному мамонту… Безвестный художник за много тысяч лет до наших дней изобразил немеркнущими красками на камне самый обычный эпизод из жизни наших далеких предков.

Охота… Уже давно она перестала быть жизненной необходимостью для цивилизованных людей. Но дух охоты неистребим. Каждый год вместе с перелетными птицами снимаются с насиженных мест целые стаи охотников. Влекомые веселой жаждой приключений, они бегут в холодные и мокрые леса и луга.

И с каждым годом среди них все больше «чудаков», вооруженных не дальнобойными двустволками, а еще более дальнобойными фотоаппаратами и кинокамерами. Дух охоты уступает в этих людях еще более сильному духу любознательности.

В этой книге мы расскажем об охотниках за невидимыми и неслышимыми зверями — мельчайшими частицами материи. Эти люди — самые любознательные среди охотников науки.

Долгое время охота велась в природном заповеднике этих частиц — в космических лучах. В последние годы охотники за частицами научились создавать искусственные заповедники. Охота пошла успешнее.

Сегодня ее трофеи насчитываются десятками. Кухня, на которой орудуют повара-теоретики, завалена свежей дичью. В адском дыму поразительных идей, в котором жарится эта дичь, повара готовят самое вкусное блюдо современной физики — единую теорию частиц.

Эта теория, возможно, принесет людям такие практические плоды, перед которыми поблекнут даже самые смелые предсказания сегодняшних фантастов. Эта теория наверняка откроет нам изначальные, самые фундаментальные свойства мира, в котором мы живем.

Как ведется самая трудная и сложная из охот, как ее трофеи складываются в единую картину мироздания, — этому и посвящена наша книга.

Глава 1

Вторжение в атом

В Колтушах — маленьком городке под Ленинградом — стоит памятник собаке. Безымянной и бесконечно терпеливой собаке, которая помогла понять человеку, как он воспринимает окружающий мир.

Памятника лягушке нет нигде. Небольшое скользкое существо, вызывающее брезгливое чувство у многих людей, — и еще поставить ему памятник? Собака — друг человека, доказавший это не раз и не два. А скажите, пожалуйста, в чем лягушачьи заслуги?

У лягушки, однако, не меньшие, чем у собаки, заслуги перед наукой. Лягушка открыла людям первые секреты анатомии, кровообращения, работы мышц.

Но с наибольшими основаниями, думается мне, памятник безропотной лягушке должны были бы поставить физики. Почти два века назад страдающее подрагивание лягушачьей лапки возвестило начало новой эпохи в физике. Эпохи, которая продолжается и по сей день, — эпохи электричества и впоследствии — атома…

Конец восемнадцатого и начало девятнадцатого века — удивительно интересное время. Под громоподобные звуки «Марсельезы», а затем под гром наполеоновских пушек перекраиваются не только границы государств. В лабораториях и тихих кабинетах «чудаковатых фантазеров» перекраиваются и границы наук.

Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта открывают электричество, с тем чтобы тут же начать неистовый спор о природе и происхождении его. В конце концов Вольта возносится на вершину славы, а поверженный его противник умирает полузабытым.

Но оба они еще застают появление малозаметной статьи малоизвестного ученого Уильяма Проута. В этой статье Проут возрождает из двухтысячелетнего небытия гипотезу об атомах.

Даже если бы Гальвани и Вольта с величайшим вниманием прочли эту статью, она не вызвала бы у них решительно никаких эмоций. Всему свое время.

Первые годы новой науки — словно первые разрозненные кристаллики, возникающие в безжизненно прозрачной жидкости. Должны пройти годы, пока они, разрастаясь, сольются в один большой магический кристалл нового знания. Долгие годы…

А пока что кристалл потихоньку растет. Еще в конце восемнадцатого века Александр Гумбольдт открывает электролиз. Жидкость, которая кажется такой сплошной и однородной, вдруг расщепляется на составные части под действием электрического тока! Спустя тридцать лет Фарадей устанавливает законы электролиза. Эрстед и Ампер, обнаружив взаимодействия токов и магнитов, первыми проникают в таинственную «душу магнита». И над этими замечательными работами Джемс Максвелл возводит стройный купол первой теории электромагнитных явлений.

Современники не всегда сразу оценивают по достоинству действительно крупные революционные физические теории. Так было и с теорией Ньютона о движениях тел, и с теорией Планка о квантах энергии, и с теорией относительности Эйнштейна, и со многими другими. Теория Максвелла среди них не исключение.

Еще двадцать лет спустя после ее появления знаменитый физик Людвиг Больцман, один из создателей молекулярной физики, читая лекции по теории Максвелла, начинал их словами из «Фауста» Гёте: «Я должен пот тяжелый лить, чтобы научить вас тому, чего сам не понимаю!»

И эти слова высказал один из проницательнейших физиков своего времени! Что же тогда говорить о других?

Другие физики в эти годы спокойно пробавлялись старым-престарым представлением об электрических жидкостях. Тепловой жидкости — флогистону — давно уже пришел конец. Вслед за новаторскими работами Ломоносова все тепловые явления отлично объяснила молекулярная теория. Электрический же ток в представлениях многих ученых по-прежнему оставался потоком электрической жидкости.

Так нередко бывает в науке. В течение многих лет мирно сосуществуют друг другу противоречащие представления.

Разве что электрическая жидкость была двух родов — положительного и отрицательного. Об этом говорил уже неплохо изученный к тому времени электролиз.

Что в растворе? Молекулы жидкости, жидкости на сей раз обыкновенной. А отсюда уже как будто один шаг до «молекулы электричества». Но сколь он труден, — этот шаг!

И все-таки он делается. Как ни удивительно, помехой этому шагу служит сама теория Максвелла. В этой теории обладателем электромагнитных свойств объявляется не какая-то «молекула электричества», а особая, безраздельная, абсолютно текучая и непрерывная среда — эфир.

Эфир! Тончайший, неуловимый, начисто лишенный «грубых» материальных проявлений, вроде столь «земной» — массы. Эфир, не имеющий никакой структуры, не разложимый ни на какие отдельные частицы! И думать даже грешно о какой-то структуре самой неосязаемой субстанции на свете.

А думать приходится. В той же теории Максвелла на самый передний план выступают источники электромагнитного поля — электрические заряды и их движения, именуемые токами. Что кроется за этими понятиями? Какие предметы наделены таким свойством, как электрический заряд? Движение каких предметов вызывает электрический ток?

Какие предметы? Можно допустить, что это молекулы. Что ж, пока такое допущение ни к чему не обязывает. Представлением о молекулах пронизана вся физика тех лет, и мысль об «электрической молекуле» с совершенной неизбежностью должна появиться.

Но, возражают скептики, молекулы ведь совершенно нейтральны электрически. В опытах по электричеству они обнаруживают себя лишь в том случае, если им сообщить заряд извне или отнять его. Тогда они получают название ионов и участвуют в явлении электролиза.

Сообщить заряд, отнять заряд… Это по-прежнему не решает вопроса о том, что же такое заряд. Словно посадили на молекулу какую-то неуловимую «метку» — и побежала молекула в электрическом поле, отняли — побежала в обратном направлении. Это явление говорит лишь только о движении молекулы, но никак не о метке. Нет, нет, и возражать не стоит! — заключают скептики.