Охота за кварками

Жаль, что, когда — в середине 60-х годов — началась (продолжается она и поныне) экспериментальная охота за кварками, в ней не принял участия какой-нибудь писатель ранга Э. Хемингуэя, который поставил бы себе целью выяснить, может ли правдивое изображение научных событий — без прикрас и без разговоров о любви главных героев! — «соперничать с творческим вымыслом».

(Конечно, охота обычная и охота научная не одно и то же. Э. Хемингуэй прекрасно владел ружьем, бил птицу и зверя без промаха, поэтому он мог фиксировать и потом запечатлеть в книге даже самые мельчайшие детали охоты. Представить же писателя, который мог бы стать полноправным участником физических экспериментов, да при этом держал бы в голове все хитросплетения теоретических нитей, да еще бы виртуозно владел словом, представить себе такого писателя трудно.

Но это вовсе не означает, что в будущем не появятся научные Хемингуэи, способные осуществить экспедицию в любой, самый удаленный уголок микромира и убедительно, с полным знанием дела, красочно рассказать об этом, даже если охотиться им придется за «зверьми», не уступающими кваркам по изворотливости и неуловимости.)

…В те жаркие 60-е годы кварками интересовались не только физики геологи, биологи, химики тоже часто произносили это слово. Но, понятно, особенно волновались и суетились, принимая все это слишком близко к сердцу, научные журналисты. Они жадно прислушивались к свежим новостям, вникая, казалось бы, в неуместные подробности, судорожно перелистывали даже сверхспециальные статьи научной периодики в надежде, что наконец-то промелькнет сенсационное сообщение.

Тема кварков властно захватила тогда многих.

А ситуация оставалась противоречивой.

Нетерпеливые и скорые на мысль теоретики уверенно (и с каждым днем все более: их схемы работали все лучше и лучше) говорили «да»: кварки должны, просто обязаны были существовать в природе. Теоретикам возражали экспериментаторы. Более спокойные и не торопящиеся с окончательными выводами, они твердили «нет»: пока в экспериментах обнаружить кварки никак не удавалось.

«Рождение», «выживание» или «гибель» гипотез при их столкновении с данными опыта — дело в науке довольно обычное. И никто не станет пенять теоретику, если его научная версия не оправдалась. Гораздо сложнее положение экспериментатора: ошибаться ему не след, хоть такое и случается порой. С экспериментатора спрос больше, но зато ему больше и веры.

Вообще, заметим, что в неразлучной паре «теория — эксперимент», как бы результативна и плодовита ни была теоретическая мысль, все же считается, что решающее слово остается за экспериментатором — он ближе к природе!

На этот счет у физиков есть такая шутка. Они говорят, что различие между теоретиком и экспериментатором заключается в том, что результату теоретика обычно не верит никто, кроме него самого, а результату экспериментатора обычно доверяют все, кроме самого экспериментатора.

«Нет», — в вопросе о существовании кварков слово экспериментаторов было решающим. Какие тут могут быть разговоры! Для доказательства есть только один путь: кварки необходимо было представить научному миру, так сказать, живьем.

Кварки, какая бы это была ценная добыча! Пойманные кварки очень быстро перекочевали бы со страниц узкоспециализированных научных журналов в монографии. Потом в текст университетских и вузовских лекций. Затем и в школьные учебники. О кварках, об этом фундаменте материи, громогласно возвестило бы радио, их показывали бы (в рисунках, схемах) по телевидению, о них рассказывала бы многочисленная армия лекторов, их бы разобрали по винтикам и вывернули бы наизнанку популяризаторы науки.

А такой чести удостаивается не каждое научное достижение. Открытий в наш век сделано слишком много, о всех не расскажешь. Но кварки! Открытие кварков стало бы подлинным триумфом науки. Оно было бы записано в ней золотыми буквами, попало бы во все учебники и, несомненно, осталось бы в них на ближайшие, скажем, сотни лет.

Опыт Милликена

Итак, очень многие жаждали поймать хотя бы один кварк. И дело это вроде бы не должно было доставить много хлопот: кварки же ведь существа весьма экзотичные, и выделить их будет несложно.

Главное — у кварков дробный электрический заряд (дробным, кстати, является и их барионный заряд; +⅓), что и должно существенно облегчить их наблюдение. Эта дробность не позволяет им исчезнуть: распасться на обычные частицы (электроны, например), обладающие целым или нулевым зарядом. Иначе нарушился бы закон сохранения зарядов — один из краеугольных камней физики. Все эти рассуждения значили одно: кварки должны быть стабильными частицами. Если они существуют, то должны быть везде.

И их, как только была выдвинута кварковая гипотеза, принялись искать повсюду — на поверхности Земли, в океанах, в космических лучах, на ускорителях элементарных частиц.

Но, допустим, кварк у нас в руках: в той горстке материи, что мы держим. Как отличить его от других частиц? Какой для этого использовать метод?

И здесь вспомнили про то, как был измерен заряд электрона. Сделал это в 1911 году американский физик-экспериментатор Р. Милликен (1868–1953).

Р. Милликен был ученым с некоторыми странностями. Он один из немногих, кто упорно пытался примирить религию и науку. В колледже (другой пример эксцентричности) он специализировался по греческому языку и в физику влюбился только в университетские годы. Но уж зато экспериментатором Р. Милликен был первоклассным.

Дж. Томсон, мы помним, открыл электрон, а вот измерил его заряд, да еще с прецизионной точностью, именно Р. Милликен. За это в 1923 году он был удостоен Нобелевской премии. Его опыт был элегантен, красив, точен, наивно прост и стал добротной классикой. Ученый изучал падение заряженных капелек в электрическом поле конденсатора.

Опыты эти были начаты в 1906 году. Вначале бралась крохотная электрически заряженная водяная капелька.

Вниз ее тянуло поле тяжести, вверх — электрическое поле.

Неудача первых опытов состояла в том, что ничтожно малые капли воды быстро испарялись, и уменьшение их веса вносило погрешность в расчеты. Поэтому в 1911 году ученый начал экспериментировать с каплями масла: тут испарение уже не вносило больших осложнений.

Капельки масла (проводились и опыты с ртутными шариками) у Р. Милликена были настолько легкими (они весили 10^-11 — 10^-12 грамма), что изменение их количества электричества всего лишь на один электрон (тоже лилипут: его заряд 10^-19 кулона) уже заметно влияло на скорость их падения.

Заряжение капель производилось их облучением X (икс) — лучами (так вначале называли лучи Рентгена).

При этом менялся электрический «вес» капельки: капли начинали падать быстрее пли медленнее. В определенных условиях их можно было заставить даже подниматься вверх.

Минимальное изменение в движении капли было обусловлено прибавлением пли вычитанием уже далее неделимой порции заряда. Ее (заряд электрона) и вычислил Р. Милликен, окончательно доказав атомарную (корпускулярную) природу электричества.

Эти опыты и вспомнили прежде всего, когда начались энергичные розыски кварков. А обнадеживало тут вот что. Сам Р. Милликен однажды наблюдал капельку с количеством электричества, равным ⅔ заряда электрона!

Этот необычный результат показался ученому подозрительным, он его просто отбросил, посчитав, что в опыт закралась какая-то погрешность. Лишь спустя годы в одной из своих статей Р. Милликен вскользь упомянул об этом наблюдении. Значит, он наблюдал кварки?

Кто знает. Мнения тут разделились. Многие считали, что условия проведения эксперимента не давали ему на это никаких шансов. Кварки звери довольно редкие.

Повстречать их непросто. А капельки у Р. Милликена были очень маленькими: вероятность того, что в капельке спрятан кварк, становилась ничтожной.

Но из последних рассуждений следовал и обнадеживающий для поисков кварков вывод: капли (пли частицы вещества) надо брать покрупнее, и еще желательно было бы их предварительно обогащать кварками. Ну н, естественно, надо использовать аппаратуру в миллионы раз более чувствительную, чем та, что была у Р. Милликена.