Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная
Можно было бы попытаться обнаружить «растворенные» в веществе кварки с помощью метода, которым американский физик Милликен в начале нашего века измерил заряд электрона. Милликен изучал падение заряженных капелек в электрическом поле конденсатора. Капельки были такие маленькие и легкие, что изменение их суммарного заряда всего лишь на один заряд электрона заметно влияло на скорость их падения.
Между прочим, однажды он наблюдал капельку, заряд которой был на треть меньше заряда электрона. Этот результат показался ему настолько странным, что он просто его отбросил, решив, что в опыт вкралась какая-то погрешность. Лишь несколько лет спустя в одной из своих статей Милликен вскользь упомянул об этом факте. Возможно, так оно и было — произошел один из тех непонятных «сбоев», которые иногда случаются и портят столько крови экспериментаторам. Слишком уж мала ожидаемая концентрация сверхтяжелых кварков, чтобы можно было обнаружить такую частицу внутри мельчайшей капельки.
Но все это было давно — современные экспериментальные возможности несравненно богаче! И вот в США, в Стенфордском университете, решили поставить опыт, напоминающий опыт Милликена. Чтобы манипулировать большими крупинками вещества, использовалось магнитное поле, которое компенсировало силу земного притяжения. Крупинка висела в воздухе, между пластинами конденсатора (подобно легендарному гробу Магомета). Сдвинься она на долю микрона, это отразилось бы на величине ее электрического заряда: недаром точность опыта в десятки тысяч раз превосходила ту, которой достигал в свое время Милликен.
И представьте себе, экспериментаторам удалось обнаружить положительный и отрицательный заряды, равные трети заряда электрона! В прибор один за другим помещались пять маленьких шариков из ниобия, и два из них оказались с дробными зарядами.
Трудно сказать, насколько достоверен этот результат. Скорее всего он все-таки обусловлен какими-то неучтенными особенностями эксперимента. Например, шарики из ниобия должны, были быть, абсолютно круглыми — симметричными по форме и по составу. Даже небольшое отклонение от симметрии сразу же породило бы силы, которые сместили бы положение равновесия шарика, а с ним и его заряд. В том, что шарики круглые, можно было, конечно, убедиться с помощью микроскопа. Гораздо труднее доказать, что у них не было внутренних неоднородностей.
Как бы то ни было, для того чтобы поверить в кварковое происхождение дробного заряда, такой эксперимент нужно повторить очень много раз и с различными образцами-шариками. Заряды кварков точно равны одной и двум третям заряда электрона, экспериментальные же погрешности такой точности, естественно, давать не будут.
В целом доводов «против» кварков в этом эксперименте пока значительно больше, чем «за». Такого мнения придерживается большинство физиков, хотя об открытии дробных зарядов уже сообщили газеты и журналы, и к нам в институты поступает масса писем с вопросами, чему же в конце концов верить— сообщениям об открытии кварков или осторожным комментариям физиков.
Подобные коллизии с желанием побыстрее рассказать об удивительной находке в последние годы случались не раз. И дело тут не в недобросовестности или легкомыслии журналистов. Некоторые факты и выводы должны ждать своего подтверждения многие годы. Такова их специфика. Но беда в том, что именно такие, еще не признанные всеми, часто загадочные явления как раз и вызывают наибольший интерес. Они будят воображение, вдохновляют на поиски. Плохо другое — когда недостоверный, а то и просто сомнительный факт подается как сенсация и при том сопровождается намеками: наука, мол, его пока не признает, мало ли чего она сначала не признавала, а потом признала, да и кто сказал, что ей все уже известно... За примерами ходить далеко не надо: у всех на памяти полуфантастические репортажи о кожном зрении, о телекинезе, телепатии и тому подобных чудесах.
Взять хотя бы телекинез — передвижение предметов усилием воли. Принципиальную возможность подобных явлений обычно обосновывают тем, что нам недостаточно еще известны механизмы мозга. Да, это так, но вместе с тем можно с полной уверенностью утверждать: какими бы свойствами ни обладал мозг, его воздействие на физические тела не может не передаваться посредством какого-то материального агента, какого-то физического поля, и притом чрезвычайно сильного, если оно может двигать предметы. Но мы уже достаточно знаем устройство мозга, чтобы сказать: столь сильные поля мозг создавать не может. А коли так, сообщения о телекинезе либо мистификация, либо самообман.
Несколько иначе обстоит дело с телепатией — передачей чувств и мыслей на расстояние. Нельзя в принципе исключить того, что электромагнитные колебания, которыми сопровождается процесс мышления, могут улавливаться другим сверхчувствительным приемником-мозгом. Явного противоречия с физикой здесь нет. Хотя с точки зрения количественных оценок это выглядит крайне маловероятным. Все силы убывают с расстоянием. Исключение составляют, пожалуй, лишь межкварковые силы. Они должны быть совсем другими. Только этим и можно объяснить, почему нуклон не удается расщепить на отдельные кварки.
Большинство физиков склонны считать, что свободных, изолированных кварков в природе не существует. Кварки наглухо заперты внутри элементарных частиц, и никакими силами выбить их оттуда нельзя. Почему что так, мы точно еще не знаем, хотя некоторые объяснения этому удивительному свойству кварков теоретики уже нашли. Это действительно связано с особенностями поля, передающего взаимодействие между ними.
О квантах этого поля, глюонах, нам известно, по правде говоря, не больше, чем о кварках. Их ведь тоже никогда не наблюдали в свободном виде, как наблюдают, например, отдельные фотоны. Все, что мы о ни знаем,— результат теоретических расчетов и косвенных наблюдений.
У глюонов нет массы. Этим и некоторыми другими свойствами они похожи на фотоны. Но в отличие от них глюоны, так сказать, «саморазмножающиеся» частицы. Они сами, независимо от кварков, создают вокруг себя новое глюонное поле. Фотоны таким свойством не обладают, у них нет заряда и никакого нового электромагнитного поля вокруг их не образуется. Наибольшую интенсивность электромагнитное поле имеет вблизи заряда, его источника, а далее оно постепенно рассеивается в пространстве и ослабевает. Глюоны же — заряженные частицы. Они несут на себе специфический кварковый заряд — «цвет», который порождает новые глюоны, новые порождают следующие и так далее. Это приводит к тому, что глюонное поле не ослабевает, а наоборот, возрастает при удалении от порождающего его кварка. Выходит, как это ни парадоксально, кварки слабее всего связаны, когда они находятся на малых расстояниях друг от друга. Если же кварки пытаются разойтись, то сразу же возрастают стягивающие их силы. Другими словами, кварки становятся свободными не на поверхности элементарных частиц, а, наоборот глубоко внутри этих частиц.
В атомах и в их ядрах сильнее всего связаны внутренние слои. Кварковая структура элементарных частиц, наоборот, наиболее жесткой и крепко сцементированной оказывается на ее периферии. В общем, по сравнению с другими частицами у кварков все шиворот-навыворот. Острословию физиков на этот счет нет предела. Они, например, любят говорить о «центральной свободе и периферическом рабстве» кварков.
Не помню, кто это начал первым, кажется Абдус Салам, но вот уже много лет на конференциях физиков поддерживается забавная традиция изображать главную обсуждаемую ими проблему в виде веселого символического рисунка. Хорошо помню, например, рисунок американского физика Политцера, где он изобразил свое представление о свободе кварков в недрах элементарных частиц; ей была посвящена целая конференция
Если в один из кварков, находящихся внутри элементарной частицы, выстрелить очень быстрым электроном этот кварк получит большой импульс и отскочит. Но это движение будет продолжаться лишь до тех пор, пока удерживающие его глюонные силы не возрастут настолько, что их энергии станет достаточно для рождения пары кварка и антикварка. Антикварк и выбитый электроном кварк «слипнутся» в мезон, а оставшийся кварк займет внутри частицы место выбитого. И в результате все будет выглядеть так, будто кварк остался на месте и одновременно, как бы из ничего, родился мезон. Такой процесс «размножения» кварков и попытался изобразить Политцер...
Теперь должно стать понятно, почему не удается расколоть нуклон на три кварка: сколько по нему ни бей, из него всякий раз будут вылетать целые частицы, а не их осколки — кварки и глюоны!
Впрочем, все эти соображения о свойствах глюонных сил имеют пока только качественный характер. Ни теория, ни эксперимент не могут сказать, достаточно ли этих сил для полного удержания кварков внутри элементарных частиц. Специалисты предполагают, что это так, но здесь могут быть и сюрпризы.
