Вопросительные знаки в физике

Середина XIX века была «смутным временем» в химии. Среди различных «сортов» атомов никак не удавалось найти взаимосвязи. А хаотическое нагромождение фактов вселяло уныние. Один из крупнейших химиков XIX века, француз Жан Дюма, дошел до того, что предложил вообще выбросить из науки понятие об атомах: по его мнению, оно превратилось в источник путаницы, стало тормозом развития науки. Открытие Д. К Менделеевым периодического закона положило конец этим неурядицам, и здание химической науки приобрело стройный, законченный вид. Зато XX век и начало века XXІ — «смутное время» в физике. Элементарных частиц — «кирпичей», из которых, по современным представлениям, построена вся живая и неживая природа, сейчас насчитывается слишком много: вместе с резонансами — частицами, живущими очень короткое время, — их что-то около ста, и это число продолжает увеличиваться.

Настало такое время, когда уже нельзя «глядеть и удивляться их множеству, не размышляя об их расположении и приведении в порядок…» Поэтому сейчас в физике идут интенсивные поиски глубокой взаимосвязи между элементарными частицами, поиски закона, который связал бы воедино различные «сорта» частиц.

В обзорном докладе по работам в этой области известный пакистанский теоретик А. Салам отметил, что после долгих лет провалов и разочарований ему приятно сообщить о первых больших успехах. Ряду ученых удалось разбить элементарные частицы на определенные семейства и найти соотношения между массами частиц внутри этих семейств. Теперь, зная массу одной частицы семейства, можно вычислить массу остальных.

Любая теория обретает силу и жизненность, как только оправдываются ее предсказания. Проба сил новой «систематики» прошла весьма успешно. Предсказанная ею неизвестная ранее самая тяжелая частица омега-минус недавно была обнаружена экспериментально. И все же пока теория элементарных частиц настолько далека от внутренней стройности и совершенства, что тот же А. Салам в конце своего доклада показал шуточную картинку, на которой была нарисована перевернутая пирамида из кирпичей-частичек, лишь каким-то чудом балансирующая на своей вершине. Возможно, она и рухнет.

«Ахиллесова пята» современной теории элементарных частиц в том, что при формальном вычислении массы и заряды частиц в ней получаются бесконечными, хотя на самом деле это вполне конкретные величины, значения которых хорошо известны из экспериментов. Поэтому некоторые физики считают, что успехи новой теории временные и рано или поздно она зайдет в тупик.

Секция новых, или, по выражению профессора Д. И. Блохинцеза, «еретических», идей обсуждала работы, в которых предлагается коренная ломка наших представлений о пространстве и времени. По мнению этой группы ученых, бесконечные массы и заряды при вычислениях получаются в силу того, что мы считаем пространство непрерывным и молчаливо подразумеваем неизменность физических законов при переходе даже к самым малым расстояниям. Но это может оказаться не так, и на самом деле на очень малых расстояниях действуют другие законы. Так же, как, скажем, механика Ньютона оказывается несостоятельной при больших скоростях, современная квантовая механика может оказаться несостоятельной при малых расстояниях. Авторы работ, представленных на секции новых идей, считают, что существует некая фундаментальная длина — квант пространства. Говорить о расстояниях, меньших этой длины, бессмысленно, как бессмысленно, например, говорить о скоростях, больших скорости света.

Пока пространство «прозондировано» до расстояний порядка 10 в минус 14 степени см и никакой дискретности не обнаружено. Исследование меньших размеров пространства так же, как и многие другие проблемы, упирается в создание ускорителей частиц на очень высокие энергии. Только эксперимент может вынести окончательный приговор фантазиям теоретиков. И нельзя забывать, что иногда он оказывается «осиновым колом» для теории.

В 1957 году произошло одно из крупнейших потрясений в физике — ниспровержение закона сохранения четности в микромире. До этого он считался столь же незыблемым законом природы, как, скажем, закон сохранения энергии. Все свято верили, что в мире есть зеркальная симметрия — равноправность правого и левого для физических процессов. Иными словами, если заменить всю картину взаимодействующих частиц ее зеркальным отражением, это никак не повлияет на физику процесса.

И вот оказалось, что при так называемых слабых взаимодействиях зеркальная симметрия нарушается. Тогда, по предложению академика Л. Д. Ландау, был принят более сложный закон — закон сохранения комбинированной четности, когда для сохранения симметрии необходимо комбинировать зеркальное отражение с переходом от материи к антиматерии. (Подобная комбинированная симметрия хорошо известна в декоративном искусстве. Например, картина датского художника Н. Эшера станет идентичной своему зеркальному отображению только в том случае, если переменить в нем светлую окраску на темную. Точно так же картина процессов в микромире не изменится, если, кроме зеркального отображения, мы еще заменим все частицы античастицами.)

Нарушение закона было установлено в результате обнаружения факта распада нейтрального ка-два-мезона на два пи-мезона. Вероятность этого, вроде бы запрещенного природой распада — всего лишь одна десятимиллионная, и все же его удалось подметить экспериментаторам.

Дело в том, что несохранение комбинированной четности означает нарушение временной четности в микромире и, следовательно, необратимость элементарных явлений. Для пояснения приведем пример с киносъемкой какого-либо процесса. Если, скажем, заснять разрушение моста, а потом прокрутить пленку в обратном направлении, мы увидим мост снова целым и невредимым. А нарушение временной четности означает, что мост уже никогда не вернется в начальное положение, и на экране будет происходить нечто совершенно не соответствующее нашим представлениям о том, что должно быть,

Нарушение закона комбинированной четности было установлено при слабых взаимодействиях — наиболее загадочных в современной науке. Взаимодействия по их интенсивности делят на четыре вида.

Сильные взаимодействия осуществляются за счет ядерных сил. Таково, например, взаимодействие между протоном и нейтроном, пи-мезоном и протоном (или нейтроном). Электромагнитные взаимодействия — это взаимодействия между электромагнитным полем и веществом.

Энергия взаимодействия в процессах бета-распада ядер и нейтронов, пи- и мю-мезонов, а также энергия взаимодействия нейтрино с веществом примерно в 10-12 раз меньше энергии сильных взаимодействий. Эти взаимодействия так и назвали слабыми.

Четвертый вид взаимодействия — гравитационное. Оно вызывается силами тяготения.

Известно, что электромагнитные и гравитационные взаимодействия универсальны: они не зависят от природы их «участников». Например, гравитационные взаимодействия определяются только величиной массы «участников», неважно, что притягивается: раскаленная звезда или трактор; электромагнитные взаимодействия определяются величиной заряда. Несколько лет назад аналогичная гипотеза была высказана и в отношении слабых взаимодействий. Но как ее доказать?

Если слабые взаимодействия универсальны, то свойственные им явления должны проявляться и во взаимодействии ядерных частиц — нуклонов, в отношении которых до сих пор считалось, что им присущи только сильные взаимодействия. Значит, рассуждали теоретики, несохранение пространственной четности должно наблюдаться при сильных взаимодействиях нуклонов. Легко сказать, «должно наблюдаться», если примесь слабых взаимодействий, по расчетам, составляет примерно одну десятимиллионную на фоне всепоглощающих сильных взаимодействий!

Однако в некоторых случаях эффекты слабых взаимодействий испытывают своеобразное усиление. Ядерные уровни обладают определенной пространственной четностью. Слабое взаимодействие нуклонов перемешивает уровни разной четности. И чем меньше расстояние между уровнями, тем сильнее они перемешиваются. В результате возникает уровень, не обладающий зеркальной симметрией. Гамма-лучи, испускаемые ядром, находящимся на таком зеркально-несимметричном уровне, будут асимметричны.

Физикам Ю. Абову, Ю. Оратовскому и П. Кручицкому в тонком эксперименте с ядрами кадмия-113 удалось обнаружить такую асимметрию. Аналогичный эксперимент с гамма-лучами, испускаемыми ядрами тантала-181, поставили адлериканские физики Бойм и Конкелайт.

Итак, сделан первый шаг в доказательстве универсальности слабых взаимодействий. Возможно, он в какой-то мере поможет продвинуться в главной задаче теоретиков, то есть поможет обнаружить связи между четырьмя полями различных видов взаимодействий.

Окончательно подтвердить универсальность слабых взаимодействий могли бы эксперименты с участием таинственного нейтрино — никогда не находящейся в покое, не имеющей ни массы, ни заряда частицы. Она единственная из всех известных частиц, которая участвует лишь в одном виде взаимодействия — слабом и поэтому является универсальным инструментом для его изучения.

Несмотря на свою эфемерность, нейтрино поистине вездесуще. Оно всегда несется со скоростью света, обладая потрясающей способностью проникновения: чугунная плита, проложенная от Земли до Сатурна, для нейтрино так же прозрачна, как чистый воздух для солнечного луча. Из глубочайшей толщи гигантских звезд, накрепко запирающей все остальные частицы, свободно вырываются нейтрино и улетают в пространство, унося с собой энергию. Из нашего Солнца, невидимо и неслышно, но с неумолимым постоянством уходит с нейтрино до 8 процентов излучаемой энергии. Даже ночью поток нейтрино приходит от скрытого за горизонтом Солнца, легко пронизывая толщу Земли.

Этот поток несет в 40 тысяч раз больше энергии, чем лунный свет, но никто никогда не видел его, и ни один человек на Земле не знает, куда уходит эта энергия и что с ней происходит. Возможно, нейтрино и есть тот волшебный ключ к самым сокровенным тайнам природы — к законам строения и управления Вселенной, который давно ищут физики.

Чем отличаются друг от друга эти два вида нейтрино, кроме способа рождения? Ответ на этот вопрос мог бы пролить свет и на загадку мю-мезона, который абсолютно во всем сходен с электроном, но имеет примерно в 200 раз большую массу. Почему? Какова его роль? Может быть, природа старается рассказать с помощью мю-мезона что-то важное, но пока не удается понять смысл сообщения?

Как видите, в этом абзаце слишком много вопросительных знаков, Для ответа на них опять-таки нужен резкий скачок в увеличении энергии ускорителей. Чем больше энергия взаимодействующих частиц, тем меньшие расстояния можно прощупать, тем более «прозрачными» становятся частицы. Резкое повышение энергии могло бы, наконец, стереть некоторые вопросительные знаки в проблеме слабых взаимодействий.

Каждое поле имеет свой квант — переносчик взаимодействия. У сильных взаимодействий это пи-мезон, у электромагнитных — гамма-квант. Предполагают, что слабые взаимодействия тоже имеют свой квант, названный промежуточным бозоном. Обнаружение его значительно облегчило бы построение теории слабых взаимодействий. Промежуточный бозон должен появляться при рождении нейтрино, но, несмотря на старательные поиски, пока не обнаружен. Сложные эксперименты, выполненные в ЦЕРНе, показали, что если промежуточный бозон существует, то он очень тяжел: его масса, по крайней мере, в полтора раза больше массы нуклонов. Для обнаружения промежуточного бозона нужна высокая энергия.

Чтобы заметно увеличить энергию нейтрино, физики предложили создать на базе ядерного реактора (с литием в качестве поглотителя нейтронов) импульсный нейтринный генератор. Такой генератор позволил бы сконцентрировать на небольших участках колоссальные потоки нейтрино. За одну секунду через каждый квадратный сантиметр измерительной аппаратуры проходило бы 10-15 нейтрино.

Американские физики решили избрать другой путь — уменьшить фон помех, не увеличивая поток нейтрино. Для этого, по их мнению, можно использовать обычный мощный реактор, снабдив его очень чувствительными приборами. Осуществление тех и других предложений позволит в 1000 раз усилить полезный эффект взаимодействия нейтрино с электронами. И, может быть, наконец прояснится природа этих загадочных частиц, а также слабых взаимодействий.

Авторы: Елена Кноре и Борис Коновалов.