Охота за кварками

Так, в частности, в одной из недавних научных работ предложено воздействовать на поток капелек электростатической силой. Отклонение каждой капельки от первоначальной траектории пропорционально ее электрическому заряду. Поэтому капельки с дробным зарядом могут быть отделены от остальных.

А главное тут: при помощи этого способа можно исследовать тысячи (интенсификация поисков кварков!) капель в секунду.

* * *

Эта глава подошла к концу. Мы видим, что ядерное сафари пока успехом не увенчалось. Непойманные кварки остаются величайшей загадкой физики наших дней.

В чем тут дело? Может, в том, что мы еще плохо понимаем общие законы природы, правила ее игры? И поэтому стучимся в намертво заколоченные двери? Возможно, так.

И есть смысл сейчас поговорить об общих основаниях физики, о том, как эта наука в целом представляет себе окружающий нас мир.

3 В поисках простоты

Пусть все дела ваши будут как два или три, а не как сотня или тысяча; вместо миллиона считайте до полдюжины и все свои расчеты ведите на ногте большого пальца.

Генри Дэвид Торо. Уолден, или Жизнь в лесу.

Простота, простота и еще раз простота!

У человека на каждой руке всего лишь пять пальцев.

Не дюжина, не сотня! У всех цветков яблони пять лепестков. И вообще над живой природой явно довлеет «магия пятерки»: пять органов чувств, пятилучевая симметрия у иглокожих, пять пар конечностей у многих насекомых…

Пять ли, два (самцы и самки у высших животных, третьего пола нет!), семерка ли (с этим числом у человека недаром связаны многие суеверия и фольклорные образы) не суть важно, отметим другое — природа оказывает явное предпочтение малым числам перед большими. Она как бы стремится к наивозможной простоте.

То же в природе неживой (а нас интересует физика).

Сортов зарядов только два: положительные и отрицательные. Обратная пропорциональность квадрату расстояния величин гравитационного и электрического взаимодействий. Трехмерно пространство, в котором мы существуем. Вновь похоже, что Природа, следуя совету Г. Торо, ведет свои расчеты на ногте большого пальца. Всячески избегает громоздкости больших чисел.

Что это: случайность или закон? Глубинное качество материи, упрятанное под многими слоями внешне кажущихся хаотическими нагромождений? Просты ли законы природы или же сложны?

Попробуем в этом хотя бы немного разобраться.

Нити в гобелене

Кто-то из ученых сравнил физику с лоскутным одеялом, где лоскутки-закономерности пригнаны друг к другу кое-как, наспех, где проглядывают связывающие эти «заплатки» ниточки самых неподходящих (черное на белом!) цветов. Да, такое впечатление может произвести природа на профанов. А вот профессионалы знают: сквозь этот сумбур и мельтешение отчетливо виден лик Простоты.

Вещество связывают в ядра, атомы, предметы, горы, планеты, галактики всего лишь четыре вида основных сил. Силы электромагнитные, гравитационные силы, силы сильные и силы слабые.

Тяготение, определяющее структуру космоса, и электромагнетизм, благодаря которому в наших приемниках звучит музыка и светятся экраны телевизоров, известны человеку сравнительно давно. Но лишь в начале нашего века благодаря успехам атомной физики были открыты еще два фундаментальных взаимодействия — сильное и слабое.

Для тяготения и электромагнетизма характерно дальнодействие — потому их так быстро и распознали. Власть этих сил простирается до безмерных далей, теряющихся в космических глубинах.

Иное у ядерных сил (силы сильные и силы слабые).

«Руки» у них коротки. Им по плечу только малые субъядерные расстояния. Сильные силы обусловливают целостность атомных ядер и частиц. Они связывают между собой протоны и нейтроны в атомном ядре и кварки внутри протонов и нейтронов. А вот силы слабые наоборот — именно они ответственны за развалы ядер и частиц.

Именно их стараниями в мире элементарных частиц целое распадается на части. Приведем только один, но важный пример могущества слабых сил. Если бы удалось «выключить» слабые силы, то погасло бы Солнце, ибо «выгорание» содержащегося в светиле водорода, его превращение в гелий прекратилось бы.

Итак, миром правят четыре силы. Но насколько различными они кажутся внешне! Взять хотя бы их величину.

Примем самые мощные из четверки сил — сильные взаимодействия — за мерило, за единицу. Ею будет величина сил, притягивающих друг к другу два протона-соседа Тогда электромагнитные силы, отталкивающие те же протоны (одноименные заряды отталкиваются), будут примерно в сто (10 ^{– 2}) раз слабее.

Еще меньше — в 10 ^{– 5}раз — слабые взаимодействия (слабые силы). И уж совсем ничтожны силы тяготения: они слабее сильных в 10 ^{– 39}раз.

Как это представить? Если бы электроны были привязаны к атомному ядру не электричеством, а гравитацией, то атом водорода — самый маленький из атомов — был бы больше всей нашей (видимой человеку) Вселенной!

Всего четыре основных взаимодействия наблюдается н природе — как это все напоминает взгляды древних.

Горячее и холодное, сухое и влажное. Эти две пары противоположных характеристик неизменно приписывались тем основополагающим элементам, из которых, как полагали в античном мире и в средневековье, состоит весь окружающий мир — горячий, сухой огонь; горячий, влажный воздух; холодная, влажная вода; холодная, сухая земля.

Но гораздо удивительнее, пожалуй, другое совпадение. Согласно древнеиндийским Ведам четыре первоэлемента — воздух, огонь, вода, земля обязаны своим происхождением так называемому «акаша», имеющему, видимо, смысл первородного «пространства» или, что понятнее физикам, чего-то напоминающего мировой эфир.

Так рассуждали многие тысячелетия назад древние мудрецы. И удивительно схожим образом рассуждают современные ученые. По новейшим воззрениям физиков, об этом сейчас будет речь, четыре главные силы природы, как четыре основные нити в прекрасном, созданном руками искусного художника гобелене, всего лишь различные проявления одной основополагающей силы природы, одного основного начала.

Великое, затем — суперобъединение

В истории физических теорий прослеживается упорная тенденция к унификации.

Первый шаг сделал И. Ньютон (1643–1727). Он показал, что один и тот же закон управляет и полетом снарядов, и перемещением планет. Обстоятельство это отнюдь не самоочевидно: интуитивно мы воспринимаем очень большие и очень малые тела (скажем, Солнце и яблоко) весьма различно. Поэтому во времена И. Ньютона тот факт, что одни и те же закономерности описывают и движение звезд, и движение колесиков часового механизма, воспринимался как откровение.