Научные эксперименты в физике и их значение

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

С неизвестного нам опыта началась когда-то история человеческого познания. И просто немыслима серьезная теория, в фундамент которой раньше или позже не ложится эксперимент — «его величество Факт». Природа сполна рассчитывается за сознательное пренебрежение опытными данными. Вот почему древнегреческие и древнеримские ученые, преуспев в математике, в физике ушли сравнительно недалеко. Поэтому, говоря о современной физике, важно помнить, что в основе ее лежат два известных опыта.

В конце 19-го века совершенно необоснованная самоуверенность и странное самодовольство поразили многих ученых. В науке выяснено все, говорили они, точно выведены основные, совершенно непогрешимые законы, остались только несущественные доделки, о которых не стоит и говорить. Удивительно ярко проявилась эта успокоенность в речи лорда Кельвина (известного физика В. Томсона), которую он произнес в честь наступления 20-го столетия.

— Здание физики уже построено, — сказал он, — остались мелкие отделочные штрихи. И на горизонте, на ясном и спокойном небосклоне тоже ничего не предвидится. Впрочем, нет,— поправился Кельвин, — два небольших облачка все-таки пока существуют, хотя это только временное явление.

Речь шла о двух опытах, которые пока не могли получить объяснения. Об опыте Майкельсона, доказавшем постоянство скорости света независимо от движения его источника, и о так называемой ультрафиолетовой катастрофе — опыте, в котором рассматривалось тепловое равновесие между нагретым телом и окружающей средой (данные измерений и теории здесь расходились совершенно катастрофически — отсюда и название опыта).

Временным явлением оказались, однако, не облачки, а спокойствие на горизонте. Через удивительно короткий срок два облачка разрослись в тучу. Затрясся сам фундамент понятий, основы классической физики. «Неприступное» сооружение старой науки оказалось лишь небольшой частью огромного (и куда как еще недостроенного) здания современной физики. Из первого «необъясненного» опыта родилась теория относительности, из второго — физика квантов и квантовая механика.

В одном из романов Митчела Уилсона физик старой школы ядовито замечает:
— Если экспериментатор не может поставить любой опыт с помощью обрывков веревки, нескольких палочек, резиновой полоски и собственной слюны, он не стоит даже бумаги, на которой пишет.

Ну что ж, физики действительно начинали с элементарных приборов. — Когда я начинал работать у Резерфорда, — вспоминает Нильс Бор, — самый сложный прибор не превышал размеров коробки от туфель.

Но уже проделывая первые опыты на простейших приборах, физики понимали, что познать законы первооснов материи невозможно без грандиозной экспериментальной техники. Ведь взаимоотношения природы и физика похожи на беседу, в которой природа дает ответ только на правильно поставленный и точно заданный, «понятный» ей вопрос. Большинство физических экспериментов — это исследование взаимодействия элементарных частиц с им подобными кирпичиками материи. Но жители микромира обладают огромными внутренними силами, кирпичики связаны чрезвычайно прочно, и, значит, экспериментатор может понятно беседовать с природой, только пользуясь в опытах языком высоких энергий.

Сначала ученые шли по пути соревнования с молнией, но созданные ими генераторы сверхвысоких напряжений были не в силах достаточно ускорять микроснаряды. В 30-х годах прошлого столетия физики еще только мечтали об ускорении частиц хотя бы до энергии в миллион электронвольт. Человеку, обещавшему ускорение до миллиардов, сказали бы, очевидно, так: «Миллиарды — это прекрасно. Но вы, наверно, еще верите и в остров сирен — страну полуженщин, полурыб? А как насчет людей с песьими головами?». Мечта о больших ускорениях казалась совершенно несбыточной.

Однако вскоре появился циклотрон, разгоняющий частицы до энергий в миллионы электронвольт. А затем стали реальностью и миллиардные числа. Экспериментальная физика сразу же получила возможность проверить некоторые выводы ушедшей за это время вперед теории. Ведь, как очень точно говорил когда-то полулегендарный Парацельс, теория, не подтвержденная опытом — все равно, что святой, не сотворивший чуда.

Так, например, теоретики предсказывали, что существует частица антипротон, для нахождения которой необходима энергия в 5—6 миллиардов электронвольт. И антипротон, открытый сначала на бумаге, вскоре был обнаружен. Открытие новой, предсказанной заранее, частицы явилось сенсацией. Впрочем, ученые шутили, что наибольшей сенсацией было бы отсутствие антипротона.

А величины ускорений все росли и росли. Однако что же дальше? Ускоритель был однажды назван «пушкой, стреляющей по воробьям». В шутке скрыта удивительно точная правда. Чем дальше проникают физики в глубины микромира, чем меньше оказывается «воробей», за которым идет охота, тем крупнее и мощнее должна становиться пушка. Уже сейчас идет разговор о новых законах, которые удастся открыть с ускорителем на тысячу миллиардов электронвольт. Физик Ферми как-то начертил кривую роста энергий ускорителей и длины их магнитов. Получилось, что буквально через несколько лет магниты всех ускорителей опояшут земной шар по меридиану. Помочь тут могут только качественно новые идеи.

А что, если столкнуть предварительно разогнанные частицы? Например, устроить артиллерийскую дуэль двух ускорителей по 20 миллиардов электронвольт каждый? Может быть, это хотя бы удвоит скорость отдельных частиц? Математика, как почти всегда, оказалась сильнее воображения. Из расчетов выяснилось, что скорость при этом соответствовала бы ускорителю на тысячу миллиардов!

Будут сделаны и мощные ускорители многих других типов. Но это мы говорим об основных гигантах-участниках современного опыта, раздвинувших лаборатории ученых до размеров театральных залов и стадионов. А ведь из жерл этих «пушек», спрятанных за толстыми бетонными стенами, частицы поступают в десятки приборов, которыми пользуются физики. Это и туманная камера Вильсона, и пузырьковая камера с различным наполнением, и искровая камера, и десятки счетчиков, и сложнейшая электронная аппаратура. Нет нужды перечислять подробней многочисленные приборы лаборатории. Нам сейчас гораздо важней другое — что же должен представлять собой человек — хозяин и организатор современного опыта?

Очень много очень разных людей пишут вместе удивительную, жизненно важную для человечества книгу. Она пишется по кускам, в ней еще неясно видятся даже основные повороты сюжета. На пестрых страницах то всплывают отдельные строки из конца, то вдруг появляются целые главы из середины. А иногда весь порядок книги приходится перестраивать наново, одни главы выбрасывать совсем, другие — переписывать. Эта книга, которая никогда не будет дописана до конца — наука о частицах — жителях микромира. В ней все меняется в зависимости от данных, которые приносит эксперимент. Природа довольно громко отвечает на точно поставленные вопросы, но иногда, словно мимоходом, вдобавок вполголоса, сообщает важные подробности. Так когда-то Рентген, изучая электрический разряд в газах, обратил внимание на невидимые лучи, исходящие от стенок прибора. Талантливый экспериментатор открыл известные теперь всем рентгеновские лучи.

Экспериментатор должен быть чутким и отзывчивым собеседником природы. А достаточно ли этого? Когда-то, может быть, было достаточно. Но сейчас нет. Ни один важный опыт не обходится без огромного количества промежуточных средств и участников. Ученый уже никак не походит теперь на маститого старца, то одиноко колдующего в лаборатории, то говорящего с благоговейно застывшей толпой учеников.

Ускоритель — сложнейшее инженерное сооружение с десятками побочных механизмов и установок. С ним работают электронщики и теплотехники, вакуумщики и прибористы. Быстрая частица попадает затем в мишень, образуя вторичные частицы или просто оставляя след. Если все это происходит в пузырьковой водородной камере, то в работу вступают холодильщики, а для снабжения камеры жидким водородом трудится целый завод. Все это труд не десятков, а сотен людей, массы различных специалистов. И, наконец, непосредственный результат опыта — фотографии следов частиц. Это сотни тысяч снимков, неисчислимое множество обмеров и вычислений. Жизни нескольких экспериментаторов не хватило бы на эту работу. Это снова труд специалистов, создающих машины для обработки результатов опыта.

Всех этих людей десятков специальностей надо организовать, направив и слив воедино их усилия. Но организаторской работы, работы командира мало. Надо еще быть, я бы сказал, комиссаром, надо знать характер и склонности людей, добиться, чтобы каждый понимал и ценил свое значение в исходе опыта. Надо в решающий момент (а такие моменты бывают часто в мирной борьбе за тайны природы) уметь повести всех за собой. И — самое главное — продолжать оставаться солдатом-физиком, проводящим эксперимент.

Рассказ о внутриядерных силах был бы неполон без истории опытов, которые натолкнули когда-то Резерфорда на мысль о конструкции атома, о той модели атома, которая принята до сих пор. Тем более, что это история случая, а случай — нередкий соучастник работы всех, кто познает тайны природы. Случай работает в пользу науки даже тогда, когда с ним сталкиваются (этого словесного каламбура нельзя избежать) случайные люди.

Начало прошлого века. В физике принята модель атома, предложенная Томсоном — большое положительно заряженное ядро занимает весь объем атома, а к этой массе то тут, то там прилеплены маленькие электроны. Часть событий, происходящих с атомом, можно было объяснить с помощью этой модели, часть — нельзя. Но заменить ее было нечем.

Очень богатый человек пришел однажды к Резерфорду. «Я хочу, чтобы мой сын имел ученую степень,— сказал он. — И предлагаю следующее: Вы берете моего сына в лабораторию, где он за ряд проделанных работ может получить эту степень, а я плачу большую сумму денег и строю больницу для бедных».

Если от денег Резерфорд мог отказаться, то отказываться от больницы, которую получил бы город, он себя считал не вправе. Так в лаборатории появился новый физик. Ему был поручен опыт, результаты которого, пользуясь моделью атома Томсона, можно было предсказать заранее. Положительно заряженными частицами, которые излучал кусочек радия, обстреливался тонкий золотой листок. Одни частицы должны были пронизать его, не задев атомов. Другие, «ударившись» о нейтрально заряженный атом, могли отклониться в сторону на разные углы. Не должно было быть только одного результата — благодаря отсутствию (как думалось тогда) сосредоточенного положительного заряда, частицы не могли полететь назад под действием сил, отталкивающих одинаково заряженные тела.

В хорошо поставленном опыте отрицательный результат — тоже результат; богатый сынок получал ученую степень, а город — больницу для бедных. Опыт начался. Частицы бомбардировали атомы, и на экранах из сернистого цинка, куда влетали «сработавшие» частицы, мерцали вспышки. Один из экранов был поставлен впереди мишени и, значит, должен был пустовать. Но к удивлению экспериментаторов на нем тоже появились вспышки. Пуля, отскочив от мишени, возвращалась назад, в сторону выстрелившего ружья!

Опыт наводил на мысль о том, что в глубинах атома существует положительный сосредоточенный заряд, вовсе не размазанный по всему объему атома. Тогда за приборы сел ближайший помощник и ученик Резерфорда, Ганс Гейгер, и вскоре была предложена существующая до сих пор планетарная модель. Случай идет навстречу тому, кто его ищет, поэтому случайности в науке вполне закономерны.

Сейчас прошло много лет после открытия ядра, но и до сих пор физикам недостаточно известно — что удерживает в ядре одинаково заряженные протоны? Что удерживает в нем нейтроны? Откуда силы, создающие в ядре огромную плотность вещества? Ведь один кубический миллиметр чисто ядерного вещества весил бы сто тысяч тонн! Если бы волокна листка бумаги были соединены ядерными силами, то, чтобы разорвать листок, понадобились бы несколько тысяч мощных тягачей. Неправда ли, внушительные цифры? Силы, которые удерживают протоны и нейтроны в ядре и действуют при столкновении этих частиц друг с другом, называются сильными взаимодействиями. Пока что характер и особенности этих сил — стена огромной и неприступной крепости, к которой вплотную подступила наука.

Сильные взаимодействия распространяются только на очень маленькие расстояния. Десять в минус двенадцатой степени сантиметра, тысячные части от миллиардной доли миллиметра. Стоит чуть увеличить это расстояние — сильные взаимодействия заменяются привычными нам электромагнитными силами — одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга.

Мы упомянули о наибольших расстояниях, на которых проявляются сильные взаимодействия, но есть, очевидно, и нижний предел действия этих сил. Ведь если бы одинаково заряженные протоны (или целые ядра) только притягивались друг к другу на этих крошечных расстояниях, то они чрезвычайно близко подходили бы друг к другу. Однако этого не происходит. Значит, где-то на еще меньших дистанциях снова проявляются силы отталкивания? Ряд теоретиков считает, что так и есть. А есть предположение, что существует некий «ядерный клей», которым служат мелкие подвижные частицы — мезоны. Стремительно движущийся мезон связывает в ядре нуклоны (т. е. протоны и нейтроны) примерно так же, как мяч удерживает игроков на волейбольной площадке.

Однако, не занимаясь сейчас догадками, вернемся к задаче исследования внутриядерных сил. Казалось бы, чего проще — при предельно возможных энергиях проверить, что происходит в момент сближения, даже сталкивания частиц. И вот тут-то всплывает отличительная черта сильных взаимодействий, еще одна загадка ядра.

При столкновении друг с другом двух частиц с высокой энергией (например, двух протонов) на месте микрокатастрофы рождаются новые частицы.

Впрочем, дети совершенно непохожи на родителей. У них другая масса — например, пи-мезон в 6 раз легче протона. У них другое время «жизни» — тот же пи-мезон существует только две миллионных доли секунды. Значит, задача сразу же необыкновенно усложняется. Ведь простейших участников этих событий — пи-мезоны уже не столкнешь друг с другом для выяснения их «взаимоотношений». Ускоритель просто не успеет накопить их достаточное количество, чтобы пучок мезонов-снарядов врезался в пучок мезонов-мишеней, вызывая долгожданное столкновение. Участники предполагаемой встречи распадутся еще по дороге. А пучок неподвижных мезонов-мишеней и вообще невозможно создать. Они прекратят свое существование, так и не став участниками задуманной микрокатастрофы.

И все-таки физики нашли выход. Метод решения этой задачи о взаимодействии неустойчивых частиц — первая брешь в крепости под названием Сильные Взаимодействия. Дело в том, что родившиеся во время столкновения протонов легкие частицы — «близнецы» благодаря взаимодействию друг с другом на короткое время как бы «слипаются» и часть пути летят вместе.

Когда же они, удалившись на крошечное расстояние, снова «расклеятся» и разлетятся, их энергии и прочие «анкетные» данные можно уже рассчитать. Изучение этих систем из «слипшихся» частиц очень важно для физики высоких энергий.

Автор: А. И. Алихманов.