Радость познания

Все различные атомы устроены одинаково, но обладают разным числом электронов. Однако ядра отличаются друг от друга. Итак, мы начинаем изучать ядра. Их найдено огромное разнообразие с тех пор, как начались эксперименты по столкновению ядер — опыты Резерфорда и многие другие. Во-первых, начиная с 1914 года, когда ядра были открыты, оказалось, что их природа очень сложна. Это можно понять, если представить, что ядра тоже состоят из составляющих — протонов и нейтронов. Они взаимодействуют с некоторой силой, которая удерживает их вместе. Чтобы понять ядра, нужно немного лучше познакомиться с силами. Кстати, в случае атомов тоже существуют силы; это электрические силы, которые мы уже поняли. Но кроме электронов, существуют также электрические силы, которые можно представить световыми фотонами. Свет и электрическая сила объединяются в одной частице — фотоне. Электроны и фотоны существуют вне ядерного мира, то есть вне ядра. Теория поведения электронов — это квантовая электродинамика, за разработку этой теории я, собственно, и получил Нобелевскую премию.

Обратимся теперь к ядрам. Они состоят из протонов и нейтронов, их связывают между собой странные силы.

Следующая проблема — попытка понять, что это за силы. На роль переносчиков этих сил предлагались различные частицы, например мезоны, предсказанные Юкавой [38]. Мы провели эксперименты по столкновению нейтронов и протонов высоких энергий и получили новые явления — когда мы сталкиваем электроны высоких энергий, возникают фотоны. Мы увидели, что при столкновении нейтронов и протонов возникают новые частицы. Это были мезоны. Получалось, что Юкава был прав. Мы продолжали эксперимент. И тогда произошло следующее: мы получили невероятное разнообразие частиц; не просто типа фотона, мы столкнули вместе фотоны, нейтроны и другие частицы и получили свыше 400 частиц разного вида — лямбда-частицы и сигма-частицы — все они были различны. И π-мезоны, и К-мезоны, и много других частиц. Кстати, мы также получили мюоны, но они не имели ничего общего с нейтронами и протонами. По крайней мере не больше, чем электроны. Существовала странная дополнительная частица, и мы не понимали, каково ее место. Она похожа на электрон, только тяжелее. По крайней мере мы нашли электрон и мюон, которые не взаимодействуют сильно с другими частицами. Те, другие частицы мы назвали сильно взаимодействующими частицами, или адронами. К ним относятся нейтроны, протоны и все прочие частицы, образующиеся при их столкновениях. Следующая проблема — представить свойства всех этих частиц в некотором организованном порядке. Это великая игра, и все мы в нее вовлечены. Она называется физикой высоких энергий, или физикой фундаментальных частиц. Обычно ее называют физикой фундаментальных частиц, но никто не верит, что 400 различных составляющих фундаментальны. Другая возможность состоит в том, что они сами составлены из более глубоко спрятанных составляющих. И кажется, для этого есть разумное основание. Выяснилось, что и теорию их можно разработать — это теория кварков; эти частицы, как и протон, и нейтрон, состоят из объектов, названных кварками (нейтрон и протон построены из трех кварков).

Диктор: Никто и никогда еще не видел кварков — это плохо, поскольку они могут представлять фундаментальные строительные блоки для более сложных атомов и молекул, из которых состоит Вселенная. Имя «кварк» выбрал без каких-либо особенных причин коллега доктора Фейнмана, Мюррей Гелл-Манн, несколько лет назад. К удивлению доктора Гелл-Манна, ирландский писатель Джеймс Джойс уже предвидел это название в своей книге «Поминки по Финнегану». Ключевая фраза состояла из слов: «три кварка для новобранца Марка». Как объяснил доктор Фейнман, это было даже больше, чем совпадение, так как кварки, которые входили в частицы Вселенной, группировались в ряде известных частиц по три. Исследуя кварки, ученые сталкивали протоны и нейтроны при очень высоких энергиях, надеясь, что в процессе столкновения они распадутся на свои кварковые компоненты.

Фейнман: Все верно, но одно из положений, поддерживающих теорию кварков, явно нелепо, поскольку, если все построено из кварков, при столкновении двух протонов мы должны иногда наблюдать три кварка. Оказалось, что в модели кварков, о которой мы говорим, кварки переносят очень специфические электрические заряды. Все известные нам частицы обладают целым зарядом. Обычно существует электрический заряд плюс (позитрон, протон) или минус (электрон, мюон), и ничего другого. Но теория кварков требует, чтобы кварки переносили заряды минус одна треть или плюс две трети от электрического заряда протона. И если такие частицы существуют, очевидно, они образуют меньше пузырьков в пузырьковой камере. Смотрите, если ваш заряд равен одной трети, выходит, вдоль трека он может «захватить» одну девятую пузырьков (эффект пропорционален квадрату заряда) по сравнению с обычной частицей. Если вы увидите незначительно прорисованный трек — значит, тут что-то не в порядке. И вы ищете и ищете подобный след — и не находите его. Это одна из серьезнейших проблем. Это потрясает. Мы на правильном пути или блуждаем вокруг да около в потемках? Ответ где-то здесь, или мы чувствуем, что он совсем близко, и не можем ухватиться за него? Если мы получим ответ, то сразу поймем, почему эксперимент такой необычный.

Диктор: Что, если эти эксперименты при высоких энергиях со сталкивающимися атомами и пузырьковыми камерами покажут, что мир состоит из кварков? Мы как-то можем применить это на практике?

Фейнман: Понимаете, для проблемы понимания адронов, и мюонов, и прочего я не вижу в настоящий момент никакого практического применения, фактически никакого. Однако мы знаем примеры, когда открытия, казавшиеся бесперспективными, тоже приносили ощутимую практическую пользу. Конечно, глупо признаваться, что твои исследования бесполезны, подобные заявления не подстегивают к работе. Но я готов прослыть дураком и утверждаю, что эти чертовы кварки никогда не найдут практического применения. Я слишком тупой, чтобы увидеть его. Да? И вы тоже? Однако практическая польза — не единственная ценность в мире. В конце концов, это просто интересно: понять, из чего состоит мир. Это сродни интересу и любопытству человека, который построил телескоп. Какая польза в открытии возраста Вселенной? Или что собой представляют квазары, которые взрываются на больших расстояниях? Я имею в виду, какая польза от всей этой астрономии? Никакой. Однако это интересно. Вот и я тоже удовлетворяю свое любопытство. Если человека терзает любопытство, попытки удовлетворить его в известном смысле практичны. Вот так я это вижу в настоящий момент. И я не обещаю никакой практической пользы от своих исследований.

Диктор: Что касается самой науки и ее значения для всех нас, доктор Фейнман говорит, что не хотел бы философствовать на эту тему. Тем не менее это не мешает ему рассуждать об интересных и провокационных идеях — например, о том, что является наукой, а что — нет.

Фейнман: Я бы сказал, что научный поиск шел всегда, с начала наших дней. Это погоня за пониманием некоего предмета или неких вещей, основанных на определенном принципе. Все, что происходит в природе, — истина. И отсюда делается вывод о справедливости некоторой теории. Лысенко говорил, что, если отрезать хвосты крысам в 500 поколениях, новые поколения крыс будут рождаться без хвостов. (Не знаю наверняка, говорил он так или нет. Спросим об этом мистера Джонса.) Если попытаться сделать нечто и оно не заработает, стало быть, это неверно. В основе науки лежит принцип, который отделяет истину от лжи на основе эксперимента или человеческого опыта.

Кроме эксперимента, мы относим к науке огромное количество интеллектуальных попыток обобщения. Это не просто собрание всевозможных явлений, которые случайно оказались справедливыми в эксперименте. И это не только совокупность фактов, которые случайно оказались справедливыми, когда вы срезаете крысиные хвосты, потому что это намертво засело у вас в головах. Мы можем сделать далеко идущие обобщения. Например, если это справедливо относительно крыс и кошек, давайте утверждать, что это справедливо относительно всех млекопитающих. Затем мы перейдем к следующему выводу, что если концепция верна относительно других животных, то она справедлива и по отношению к растениям — и наконец это становится в известных пределах свойством жизни, которое мы не унаследовали как приобретенную характеристику. Но это не может быть истиной абсолютно и безоговорочно. Недавно были проведены эксперименты, показывающие, что клетки несут информацию через митохондриальный комплекс или что-то в этом роде, так что в перспективе мы сможем их модифицировать. Но так как принципы должны оставаться максимально широкими, и максимально общими, и полностью соответствовать эксперименту — вопрос остается открытым.