Охота за кварками

(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; + 1/3 ), 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.