Охота за кварками

Вот и рухнула матрешечная философия. Принципиально неверно искать в микромире «последную» элементарную частицу. Ее нет. Любая частица может оказаться в этом смысле и первой и последней. И никакого «кризиса» философии, никакого тупика нет.

Безумнее, смелее этого взгляда на мир, кажется, трудно что-либо предложить. Конечно же, мысли эти могут быть детищем только новейшего времени…

Но что это? Чей-то слабый голос доносится к нам из тьмы времен. Слышится греческая речь… Это к нам обращается философ Анаксагор (происходил из знатного и богатого рода, не имея нужды гоняться за куском хлеба, с юных лет посвятил себя науке, видя в ней единственную цель жизни). Он утверждает (за эту и другие смелые мысли, противные религии и мистике, был обвштел в безбожии), что мир состоит из бесчисленного множества частиц (до Анаксагора считали, что все состоит из четырех первотел: земли, воды, воздуха и огня), названных им «семенами вещей», или гомеомериями.

Ну и что же? И Демокрит говорил нам об атомах.

Еще одна матрешка?

Вовсе нет. У Анаксагора каждая гомеомерия содержала в себе все элементы мира («Все во всем»! — учил он. «Если что-то можно назвать, скажем, золотом, то только потому, что золото в нем преобладает. Остальные ингридиенты мы просто не в состоянии различить».) Поэтому каждая частица, как бы мала она ни была, оказывалась бесконечно сложной. Поразительное прозрение!..

Новые представления физиков о мире, крайне неприятные для матрешечных рассуждений, получили название «ядерной демократии». Согласно этим воззрениям и те частицы, которые предстоит еще открыть, будут не более элементарными, чем уже открытые.

Механизм «взаимной поддержки», «самосогласованности» элементарных частиц, обусловливающий ядерную демократию, еще обозначают словом «бутстрап» (от английского «зашнуровка»: ведь все частицы оказываются как бы связанными единым «шнурком», как отверстия в ботинке). Бутстрап — очень сложное понятие, его еще не удалось сформулировать на строго математическом языке, унаследованном от предшествующих физических теорий.

Трудности понятны. Бутстрап — ошеломляюще новая концепция даже для «повидавших виды» в микромире физиков-теоретиков, этих великих к тому же выдумщиков. Даже они остановились в растерянности перед этим миром, где все зависит от всего, где нет малых параметров. А это значит, что исследователь тут должен отказаться от слов «несущественное», «малозначительное».

Но разве можно жить в мире, где буквально все важно и значительно? В мире, где нет пылинок, мелочей, второстепенного? Где все завязано в один общий тугой узел?

Да, неуютно тут человеку!

Понятия ядерной демократии, бутстрапа идут вразрез с доктриной кварков, с доктриной «кирпичиков» материи.

Кварки — аристократы. Тут есть спесь, большие претензии, взгляд свысока. Кварки по самому своему статусу — особо выделенные частицы. О демократии здесь говорить не приходится.

«Аристократы» или «демократы»? Что предпочла природа? Стопроцентный выбор между этими двумя крайностями пока сделать нельзя. Видимо, одна из основных программ будущих исследований на ускорителях — выяснение этой важной дилеммы.

Справедливости ради надо отметить, что не все физики разделяют «демократические» устремления. Кое-кто даже считает такую позицию капитуляцией. Они утверждают, что гипотеза «ядерной демократии» (выдвинута она была еще в 60-е годы) свидетельствовала об отчаянии теоретиков, которые, дескать, явно запутались, потерялись в адронных джунглях.

«Трудно представить, — продолжают сторонники «аристократизма», проповедники поиска «самых фундаментальных» объектов и относительно простых теорий, их описывающих, — даже в самых общих чертах то длиннейшее уравнение, которое собираются написать сторонники «ядерной демократии».

Горбушка тяжелее буханки

Многие века это считалось само собой разумеющимся: масса — это масса, а энергия — это уже совсем другое.

В физике понятия «масса» и «энергия» мирно жили бок о бок, часто встречались, но проходили мимо, словно бы не замечая друг друга.

Одной из святынь физики является закон сохранения энергии. То же можно было сказать (материя не может исчезать, проваливаться в никуда!) и про закон сохранения массы.

Это мирное житие массы и энергии было (1906) увенчано торжественной свадьбой. Организовал ее А. Эйнштейн. Он опубликовал статью, где показал, что энергия (Е) и масса покоящегося тела (m) связаны простым соотношением: Е = m × c², где c — скорость света в вакууме.

Так масса и энергия оказались повенчанными, вступили в вечный и нерасторжимый брак.

Соотношение Эйнштейна было воспринято ученым миром без всякого сопротивления. Совсем не так отнеслись к другим его идеям. Например, к идее о квантах света — фотонах.

Фотон вначале был «изобретен» А. Эйнштейном чисто теоретически (1905 год). Мысль о дискретной структуре излучения была столь дерзкой, что даже самый отчаянный из отчаянных — Н. Бор отказался ее признать. (Напомним, что квантовой механики, которую Н. Бор — в 1920 году на средства крупнейшего датского пивовара он основал в Копенгагене Институт теоретической физики, ставший Меккой для ученых многих стран, — и другие теоретики позднее создали, тогда еще не существовало.)

Резко критиковали идею световых порций-квантов и такие корифеи тогдашней физики, как М. Планк (он открыл в 1900 году квант действия, что стало «прелюдией» к возникновению квантовомеханических представлений) и X. Лоренц.

Тут уместно вспомнить такой эпизод. В 1911 году видные немецкие ученые рекомендовали избрать 34-летнего Л. Эйнштейна действительным членом Прусской академии наук. В характеристике-представлении ученых были такие слова: «…вряд ли имеется хоть одна из больших проблем, коими столь богата современная физика, в которую Эйнштейн не внес значительного вклада. И если кое-что в его спекуляциях могло пройти мимо цели, как, например, его гипотеза о световых квантах, то это не может быть поставлено ему в вину, ибо, выдвигая новые идеи, особенно в наиболее точных науках, невозможно не идти на некоторый риск».

Вот так-то! Лишь появление квантовой механики «реабилитировало» А. Эйнштейна. Но этой науке он сам позднее объявил непримиримую войну.

А в 1951 году ученый с грустью констатировал: «Все эти пятьдесят лет упорных размышлений не приблизили меня к ответу, что такое световые кванты. Конечно, сегодня каждый думает, что он знает ответ, но он обманывает себя».

Какая ирония научной судьбы!..

Фотон утвердился в физике с боями, но с законом Е = mс² никаких трудностей не было. Все ныне знают: при взрыве атомной бомбы масса преобразуется в энергию. Но особенно популярна идея антивещества.

Оно (антивещество) стало реальностью: в нашей стране на Серпуховском ускорителе был получен антигелий — не позитроны или какие-то другие микроантичастицы, а уже довольно сложный химический элемент.

Известно, что при соединении вещества с антивеществом масса переходит в энергию (процесс аннигиляции).

В научно-популярных статьях, научно-фантастических рассказах и романах уже неоднократно обсуждались эти факты науки. Возможно, и вправду в будущем антивещество удастся использовать в качестве концентрированного топлива в космосе. Но прежде, конечно, придется преодолеть многие трудности: хранение, транспортировка антивещества и т. д.

То, что масса может превращаться в энергию, известно широко. Меньше знают об обратном процессе: о создании массы из энергии.

Человек в день потребляет с пищей 2500 больших калорий энергии. Если бы он все эти калории пустил на создание всего лишь одного грамма вещества, ему пришлось бы ждать (и жить!) приблизительно 20 тысяч лет!

О том же по-другому: примерно 30 миллионов литров бензина пришлось бы сжечь, чтобы создать все тот же грамм вещества: так океан энергии превращается в ручеек массы! (А причина та, что фигурирующая в приведенной формуле скорость света — величина настолько грандиозная, что при обратном процессе даже из крох массы получаются моря энергии.)