Приключения радиолуча

«А вечен ли протон?» Вопрос интересует ученых. И вовсе не из-за боязни «конца света». Наоборот, они даже заинтересованы найти следы его распада. Это, пожалуй, единственная пока возможность экспериментально подтвердить теорию большого объединения. «Экспериментом века» назвали ученые начавшийся в 80-е годы поиск распада протона.

Что можно предварительно сказать о времени жизни протона? Вся наша предыстория говорит о том, что протон стабильная частица. Во всяком случае, ее жизнь на много порядков превышает 10 ¹⁵лет, или, иначе, миллион миллиардов лет. А это громадный временной интервал даже по сравнению с возрастом Вселенной, которая, по современным воззрениям, существует около десяти миллиардов лет. Если бы время жизни протона было меньше 10 ¹⁵лет, то из 1029 протонов нашего тела за один год их распалось бы более ста тысяч миллиардов, или, иначе, 10 ¹⁴. Никакой потери веса мы бы не ощутили, но вот доза радиации от такого распада была бы для человека, да и для любых сколь-нибудь крупных животных, смертельна.

По теории же большого объединения, время распада протона должно быть примерно 1030—1033 лет. Срок огромный, практически бесконечный по сравнению с тем, сколько уже прожила наша Вселенная с момента своего предполагаемого рождения — Большого взрыва. Именно тогда, как считают ученые, и родились протоны. Но протон не обязательно живет столь долго. Это среднее время его существования. А вот сколько проживет каждый конкретный протон, сказать нельзя. Если он все-таки распадается, то время жизни его случайно. Таковы законы микромира. Протон может погибнуть гораздо раньше своих компаньонов, а может и пережить их всех.

Идея «эксперимента века» проста. Надо взять огромную массу в принципе любого вещества и наблюдать длительное время, появятся ли в ней частицы, рожденные при распаде протона. Чем больше масса вещества, тем больше в ней протонов, тем больше вероятность того, что хотя бы несколько из них погибнут. Протонов должно быть очень много, в сотни раз больше ожидаемого времени распада. Нужное количество протонов выражается числом более чем с 34—35 нулями, и чтобы обеспечить его, масса вещества, называемая детектором, должна быть более десяти тысяч тонн. (Современные детекторы имеют пока меньшую массу.) И из бесконечного числа «целых» протонов за год непрерывного наблюдения могут распасться несколько частиц, продукты распада которых надо уловить специальными счетчиками. Задача потруднее, чем найти без применения технических средств иголку в стоге сена.

Поиск погибнувших протонов осложняется еще и тем, что в огромной массе вещества из-за радиоактивных примесей и космического фона будут распадаться и другие частицы, и эти события могут быть приняты за распад протонов. Чтобы преградить путь космическому фону, огромные детекторы прячут под большой толщей грунта или воды.

Но даже большая глубина не задержит нейтрино, рожденных космическими лучами в земной атмосфере. А они могут имитировать распад протона и практически не поглощаются всей толщей земного шара. Представляют опасность и мюоны, элементарные частицы в 207 раз тяжелее электронов. Проникая глубоко под землю, они могут рождать в детекторе частицы с теми же энергиями, что и распавшиеся протоны. Чтобы отличить ложный след от истинного распада, нужны тонкие ухищрения. В поиски распавшихся протонов включились крупные научные коллективы. Одно из первых приближений для времени распада было получено на Баксанском нейтринном сцинцилляционном телескопе. Следов распада обнаружено не было, поэтому, исходя из характеристик приборов, сделан вывод, что время распада не менее 1,5•10 ³⁰лет. Первая установка, специализированная для изучения проблемы, создана индийскими и японскими специалистами в Индии в золотоносной шахте на трехкилометровой глубине. Замеренное здесь время распада составило около 10 ³¹лет. Впрочем, результату полностью доверять нельзя — впоследствии был найден еще один источник фона, связанный с мюонами, который мог бы дать такой же результат. Проводились наблюдения и на установках в США, Японии, однако пока нельзя достоверно сказать, что распад протона обнаружен.

Планируется строительство детекторов большой массы. Веществом обычно служит очищенная вода, а подсчет числа распавшихся протонов должны вести счетчики, регистрирующие излучение Черенкова — Вавилова.

Американские физики обсуждают проект детектора с массой 40—60 тысяч тонн. Напомню, что масса столичной гостиницы «Москва» (кстати, определенная с помощью мюонов) равна примерно 45 тысячам тонн.

Новое поколение детекторов, возможно, в конце концов обнаружит распавшийся протон. А если нет, значит, время его жизни превышает 10 ³³лет. Дальнейшие работы в этом направлении сложны и дороги. Может оказаться, что создать установку для измерения времени распада порядка 10 ³⁴лет легче на Луне, чем на Земле. Ведь на нашем спутнике нет всепроникающих атмосферных нейтрино, мешающих опытам. Кстати, проекты постройки детекторов на естественном спутнике нашей планеты уже обсуждаются учеными.

Обнаружат ли ученые распад протона, покажет будущее. Если нет, то тогда физики придумают другие эксперименты, косвенно подтверждающие теорию. На пути к большому объединению ожидаются и большие открытия. Физики настроены оптимистично. Они уверены, что будущие находки лишь подтвердят достигнутое. И кто знает, может, в недалеком будущем удастся проникнуть в святая святых природы — познать первооснову всех ее сил. Создаваемая теория великого без преувеличения объединения всех физических взаимодействий, как сказал академик Анатолий Логунов, «может произвести переворот в практической деятельности человека. Ведь с помощью одних сил можно будет управлять другими, превосходящими их во много раз».

А истоками современного поиска сути природных сил являются замечательные уравнения Максвелла, объединившие электричество, магнетизм и свет. И этим объединением мы обязаны интуиции Максвелла.

Мы живем в очень динамичное время. Чем глубже проникают физики в фундамент природы, тем больше «сногсшибательных» новостей появляется на свет. Не всегда, правда, они подтверждаются…

В самое последнее время стройную концепцию о четырех видах сил грозит нарушить возможное появление на физической сцене пятой силы. Основанием для сенсации послужили результаты некоторых экспериментов.

Со школы мы помним опыты Галилея, когда он бросал с Пизанской башни разные предметы. Ученый пришел к выводу, что без учета сопротивления воздуха все предметы вне зависимости от своей массы и характера материалов, из которых они изготовлены, падают на Землю с одинаковым ускорением. Спустя столетие Ньютон использовал результаты Галилея при создании теории всемирного тяготения. И вот фундаментальная основа принципа сегодня группой физиков из американского университета в Пердью ставится под сомнение. Высказывается предположение о существовании ранее неизвестной пятой силы, противодействующей силе тяжести, в результате чего различные по химическому составу предметы падают с неодинаковым ускорением. Правда, разница очень незначительна — на уровне одной стомиллионной, — и замерить ее сложно.

Для объяснения феномена физики предположили существование «антигравитационной» силы, которая зависит от гиперзаряда, или, иначе, барионного заряда. К барионам относятся протон, нейтрон и другие «тяжелые» элементарные частицы. Чем больше барионный заряд атома вещества (а он равен суммарному числу протонов и нейтронов в атомном ядре), тем сильнее силы «антигравитации». То есть чем больше протонов и нейтронов в ядре, тем сильнее они отталкиваются от протонов и нейтронов другого предмета.

Полагают, что пятая сила в сто тысяч раз слабее гравитации и действие ее проявляется на расстоянии не более 180 метров.

В результате действия пятой силы такие вещества, как железо, с большим числом протонов и нейтронов, будут сильнее отталкиваться Землей, чем, скажем, падающая вода, поскольку в молекулах воды меньше этих частиц. Отсюда: капля воды будет падать быстрее, чем кусок железа.

Эксперименты пока не могут ответить однозначно: быть или не быть пятой силе. Вопрос остается открытым…

О ПОЛЬЗЕ ИНТУИЦИИ

Согласно уравнениям Максвелла, изменяющееся магнитное поле создает меняющееся вихревое электрическое поле. И не только в окружающей среде, но и в пустоте. Оказалось, что электрические силовые линии тоже могут быть замкнутыми, а не обязательно начинаться и кончаться на зарядах. Это означает, что электромагнитное поле может существовать без зарядов. Электрические заряды требуются лишь для возбуждения поля, но в них нет необходимости, чтобы поддерживать его в дальнейшем. Если провести аналогию с волнами на воде, то заряды играют роль камня. Мы видим, как бежит волна по поверхности пруда, несмотря на то, что камень, вызвавший ее, уже покоится на дне.

Электрическое вихревое поле, в свою очередь, рождает магнитное. Таким образом, электрические и магнитные поля, генерируя друг друга, могут свободно распространяться в виде электромагнитной волны и в отсутствие каких-либо зарядов и токов.

Уравнения Максвелла вовлекли электрические и магнитные поля в своего рода общий танец — электромагнитную волну. Неразрывно, мертвой хваткой соединены поля друг с другом, вытаскивают один другого, можно сказать, с «того света». Они заботливо сохраняют друг друга. Допустим, исчезает магнитное поле, но, умирая, оно рождает электрическое поле. Такое же самопожертвование свойственно электрическому полю. Исчезая, оно воскрешает магнитное поле. И пока бежит волна, происходит непрерывная перекачка полей.