Юрий Чирков - Охота за кварками
Это суровое слово, конечно, не перечеркнуло кварковой гипотезы, но и не способствовало укреплению ее позиций.
Правда, один положительный итог поиски кварков дали. Было совершенно точно установлено, что если свободные кварки и существуют, то концентрация их в веществе ничтожно мала: не превышает 10-18-10-20 доли от общего числа протонов и нейтронов (по некоторым данным кварков еще меньше: 10-24-10-30!).
Космические разбойники
Тщательные поиски кварков ведутся вот уже два десятилетия. Большой для современной физики срок! Однако до сих пор никто уверенно ни одного кварка так и не «увидел».
Забавно, что пока физики-охотники «обшаривали окрестности», шла оживленная дискуссия о том, что означает само слово «кварк».
Вдруг обнаружилось, что его использовал И. Гёте.
В прологе к первой части «Фауста» Мефистофель говорит, что «бог сует свой нос во всякую дрянь». Звучит это по-немецки так: In jedem Quark begrabt er seine Nase.
Кроме того, оказывается, «кварк» также и творог.
В витринах молочных магазинов в странах, говорящих по-немецки, часто можно увидеть объявление: «Покупаем творог!» (Wir brauchen Quark!)
Не дремали и писатели. Фантасты, должно быть, завидуя славе Г. Уэллса, «открывшего» атомную бомбу за тридцать с лишним лет до Хиросимы, наперебой писали о кварковых бомбах.
Лингвистические и литературные дела шли успешно, а вот поиски физиков результатов не давали, что очень разочаровывало. В чем дело? Как объяснить неудачи?
Может быть, кварки живут столь мало, что никакие современные приборы не в состоянии их обнаружить?
Но, казалось бы, их даже сверхмимолетное присутствие должно было бы оставить какие-то следы: ядерные (уже долго живущие) продукты, разные излучения… Тогда, выходит, кварки вообще не существуют?
«Нет, — полагают сторонники существования кварков, — неоткрытие этих частиц — явление временное».
И в подтверждение этого своего мнения приводят различные исторические аналогии.
Ведь злословили же когда-то о кинетической теории газов, что молекулы-де только фикция и просто все происходит так, как если бы они существовали, но что в действительности-то их нет. Что это-де только понятия, которыми удобно пользоваться в химии и термодинамике.
Только много позднее эти «понятия» превратились в реальные молекулы и атомы.
И законы Г. Менделя были высказаны задолго до того, как гены были обнаружены и исследованы непосредственно.
О Г. Менделе (1822–1884) стоит поговорить немного подробнее.
Сын бедного австрийского священника, он был вынужден вступить послушником в августинский монастырь города Брюнна (ныне Брно, Чехословакия), был посвящен в священники, но никаких церковных обязанностей не исполнял, а занимался преподаванием наук и опытами по скрещиванию растений.
Г. Менделя интересовали две далекие друг от друга области — математика и ботаника. Ему нравилось возиться с растениями в монастырском саду, ибо с детства приобрел практические навыки в садоводстве.
Восемь лет неторопливо и тщательно этот странный монах скрещивал различные сорта гороха и терпеливо фиксировал результаты, подвергая их математической обработке. В 1865 году итоги работы были доложены в Брюннском обществе естествоиспытателей и опубликованы в «Записках» того же общества (1866).
Все это не вызвало никакого отклика в научном мире.
Не было ни дискуссий, ни просто вопросов к творцу новой науки. Чувствуя всю шаткость своего положения никому не известного любителя, Г. Мендель решил обратиться к светилам тогдашней ботаники. Его выбор пал на К. Негели. Однако тот лишь бегло проглядел работу, видимо, его, натуралиста старой закалки, оттолкнули математические выкладки. Ответ К. Негели был сухим и кратким.
При жизни Г. Менделя его выдающиеся, теперь классические, исследования не были по достоинству оценены, хотя не только К. Негели, но и другие крупные биологи знали о них. Ученый скончался, не подозревая о произведенном им революционном перевороте в научных взглядах. Лишь в 1900 году непонятная и забытая работа Г. Менделя привлекла всеобщее внимание. Сразу несколько исследователей — X. Де Фриз, К. Корренс и Э. Чермак — на собственных опытах убедились в справедливости выводов Г. Менделя. Но и тогда до экспериментального обнаружения генов — этих материальных носителей наследственности — все еще было очень далеко.
Сторонники существования кварков вспоминают и более близкие события. Скажем, такая частица, как нейтрино, возникла в физике так же, как и кварки, отнюдь не в результате ее экспериментального обнаружения.
Нейтрино «изобрел» швейцарский физик-теоретик В. Паули. Он сам не очень-то верил в свое открытие.
В письме участникам семинара в Тюбингене (1930 год) В. Паули сообщал о своей «отчаянной попытке» «спасти» закон сохранения энергии.
К новой частице физиков привели опыты с р-распадом.
Так называется самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием электрона. Количественные измерения показывали, что испускаемые ядрами электроны имели энергию самую разную, хотя вроде бы в этом процессе должно выделяться вполне определенное количество энергии. Похоже было на то, что энергия куда-то исчезала.
Интерпретируя эти эксперименты, многие физики (среди них были и видные ученые, например, Н. Бор) заговорили о возможном невыполнении закона сохранения энергии, до тех пор одного из основополагающих законов мироздания.
Стали говорить о том, что-де энергия сохраняется только в среднем, а не в каждом элементарном акте.
Но вот странность! Если энергия при β-распаде не сохраняется, то резонно было бы ожидать, что иногда энергии электронам будет не хватать, а иногда у них появится лишняя энергия. Так нет же! Выигрыша энергии у электрона никогда не наблюдалось. И В. Паули допустил, что вместе с электроном из ядра вылетает еще одна частица. Именно она, оставаясь незамеченной, уносит недостающую часть энергии.
Казалось бы, вопрос исчерпан. Эта гипотеза должна была бы сразу же прийтись по душе всем физикам, однако даже сам автор этого предложения говорил о безумии своей идеи, о том, что он предложил «что-то ужасное… нечто, что никогда нельзя будет проверить экспериментально». И верно, основания для подобных сомнений были, ведь масса и электрический заряд новой частицы обязаны были считаться ничтожно малыми, а то и вовсе равными нолю. Это свойство и дало повод итальянскому физику Э. Ферми окрестить частицу «нейтрино», буквально по-итальянски «нейтрончик», уменьшительное от уже известного тогда науке нейтрона.
Экстравагантность свойств нейтрино приводит к тому, что его взаимодействие с веществом пренебрежимо мало (на заряды оно не реагирует, а из-за ничтожности массы ему удается избежать и тенет сил тяготения). Поэтому зарегистрировать нейтрино чрезвычайно трудно.
И это при условии, что мы буквально купаемся в нейтринном море. Один только поток приходящих на Землю солнечных нейтрино необычайно велик около 1014 частиц в секунду в расчете на каждого из нас; а есть еще нейтрино космического и земного (радиоактивность) происхождения.
Два десятилетия выдуманное теоретиком нейтрино героически боролось за свое реальное воплощение. И победило! В. Паули полагал, что при его жизни нейтрино не будет обнаружено, однако в 1955 году (за три года до смерти В. Паули) наблюдения нейтрино на ядерном реакторе — интенсивном источнике этих частиц — заставило большинство физиков поверить в эту частицу. А полное признание пришло только в 1959 году.
Сейчас позиции нейтрино в физике настолько прочны, что даже поэты начали слагать о нем стихи. Вот образчик нейтринной поэзии (отрывок из стихотворения Д. Апдайка «Космические разбойники»); неуловимость этих частиц, их способность к всепрониканию прежде всего, как видим, будоражит поэтическое воображение:
…Заряда не нужно,
не нужно вам массы,
Сквозь нашу планету
идете бесстрастно.
Что газ вам тончайший,
что толстые стены
Летите беспечно
в просторах Вселенной.
Как света фотоны
проходят сквозь стекла,
Так вы — через сталь,
через медь, через…
Для адвокатов кварковой гипотезы история научного становления нейтрино приходится как нельзя более кстати. «Нет, — настаивают они, — кварки не выловлены только потому, что сети у экспериментаторов, видно, с дырками. Или заброшены не там, где надо. А то и просто им не везет…»
Не везет? Значит, не все еще потеряно; счастье обязательно улыбнется физикам, так рассуждают оптимисты.
Но им возражают скептики, они твердят свое: дело не в счастье; если в пруду нет рыбы, то никакие, даже самые совершенные удочки и крючки не спасут: улова не будет.
