Наукові експерименти у фізиці та їх значення

З невідомого нам досвіду почалась колись історія людського пізнання. І просто немислима серйозна теорія, в фундамент якої раніше чи пізніше не лягає експеримент – «його величність Факт». Природа сповна розраховується за свідоме нехтування досвідченими даними. Ось чому давньогрецькі і давньоримські вчені, досягнувши успіху в математиці, у фізиці пішли порівняно недалеко. Тому, говорячи про сучасну фізику, важливо пам’ятати, що в основі її лежать два відомих досліди.

В кінці 19-го століття абсолютно необґрунтована самовпевненість і дивне самовдоволення вразили багатьох вчених. У науці з’ясовано все, говорили вони, точно виведені основні, абсолютно непогрішні закони, залишилися тільки несуттєві доробки, про які не варто і говорити. Дивно яскраво проявилася ця заспокоєність в промові лорда Кельвіна (відомого фізика В. Томсона), яку він виголосив на честь настання 20-го сторіччя.

– Будівля фізики вже побудована, – сказав він, – залишилися дрібні оздоблювальні штрихи. І на горизонті, на ясному й спокійному небосхилі теж нічого не передбачається. Втім, ні, – поправився Кельвін, – дві невеликих хмарки все-таки поки існують, хоча це тільки тимчасове явище.

Йшлося про два досліди, які поки не могли отримати пояснення. Про дослід Майкельсона, що доводив сталість швидкості світла незалежно від руху його джерела, і про так звану ультрафіолетову катастрофу – дослід, в якому розглядалася теплова рівновага між нагрітим тілом і навколишнім середовищем (дані вимірювань і теорії тут розходилися абсолютно катастрофічно – звідси і назва досліду).

Тимчасовим явищем виявилися, однак, не хмаринки, а спокій на горизонті. Через надзвичайно короткий термін дві хмарки розрослися в хмару. Затрусився сам фундамент понять, основи класичної фізики. «Неприступна» споруда старої науки виявилася лише невеликою частиною величезної (і куди як ще недобудованої) будівлі сучасної фізики. З першого «непоясненого» досліду народилася теорія відносності, з другого – фізика квантів і квантова механіка.

В одному з романів Мітчела Вілсона фізик старої школи їдко зауважує:
– Якщо експериментатор не може поставити будь-який дослід за допомогою обривків мотузки, декількох паличок, гумової смужки і власної слини, він не вартий навіть паперу, на якому пише.

Ну що ж, фізики дійсно починали з елементарних приборів. – Коли я починав працювати у Резерфорда, – згадує Нільс Бор, – найскладніший прилад не перевищував розмірів коробки від туфель.

Але вже проробляючи перші досліди на найпростіших приладах, фізики розуміли, що пізнати закони першооснов матерії неможливо без грандіозної експериментальної техніки. Адже взаємини природи і фізика схожі на бесіду, в якій природа дає відповідь тільки на правильно поставлене і точно задане, «зрозуміле» їй питання. Більшість фізичних експериментів – це дослідження взаємодії елементарних часток з ними подібними цеглинками матерії. Але жителі мікросвіту володіють величезними внутрішніми силами, цеглинки пов’язані надзвичайно міцно, і, значить, експериментатор може зрозуміло розмовляти з природою, тільки користуючись в дослідах мовою високих енергій.

Спочатку вчені йшли шляхом змагання з блискавкою, але створені ними генератори надвисоких напруг були не в силах достатньо прискорювати мікроснаряди. У 30-х роках минулого століття фізики ще тільки мріяли про прискорення частинок хоча б до енергії в мільйон електрон-вольт. Людині, яка обіцяла прискорення до мільярдів, сказали б, очевидно, так: «Мільярди – це прекрасно. Але ви, напевно, ще вірите і в острів сирен – країну напівжінок, напівриб? А як щодо людей з собачими головами?». Мрія про великі прискорення здавалася зовсім нездійсненною.

Однак незабаром з’явився циклотрон, що розганяє частки до енергій в мільйони електрон-вольт. А потім стали реальністю і мільярдні числа. Експериментальна фізика відразу ж отримала можливість перевірити деякі висновки, вона пішла за цей час вперед теорії. Адже, як дуже точно казав колись напівлегендарний Парацельс, теорія, не підтверджена дослідом – все одно, що святий, який не створив дива.

Так, наприклад, теоретики пророкували, що існує частинка Антипротон, для знаходження якої необхідна енергія в 5-6 мільярдів електронвольт. І Антипротон, відкритий спочатку на папері, незабаром був виявлений. Відкриття нової, передбаченої заздалегідь, частинки стало сенсацією. Втім, вчені жартували, що найбільшою сенсацією було б відсутність антипротона.

А величини прискорень все росли і росли. Однак що ж далі? Прискорювач був одного разу названий «гарматою, що стріляє по горобцях». У жарті прихована надзвичайно точна правда. Чим далі проникають фізики в глибини мікросвіту, чим менше виявляється «горобець», за яким йде полювання, тим більшою і потужнішою повинна ставати гармата. Вже зараз йде розмова про нові закони, які вдасться відкрити з прискорювачем на тисячу мільярдів електрон-вольт. Фізик Фермі якось накреслив криву зростання енергій прискорювачів і довжини їх магнітів. Вийшло, що буквально через кілька років магніти всіх прискорювачів опережуть земну кулю по меридіану. Допомогти тут можуть тільки якісно нові ідеї.

А що, якщо зіштовхнути попередньо розігнані частки? Наприклад, влаштувати артилерійську дуель двох прискорювачів по 20 мільярдів електрон-вольт кожен? Може бути, це хоча б подвоїть швидкість окремих частинок? Математика, як майже завжди, виявилася сильнішою уяви. З розрахунків з’ясувалося, що швидкість при цьому відповідала б прискорювачу на тисячу мільярдів!

Будуть зроблені і потужні прискорювачі багатьох інших типів. Але це ми говоримо про основні гіганти-учасники сучасного досліду, що розсуває лабораторії вчених до розмірів театральних залів і стадіонів. А адже з жерл цих «гармат», захованих за товстими бетонними стінами, частки надходять в десятки приладів, якими користуються фізики. Це і туманна камера Вільсона, і бульбашкова камера з різним наповненням, і іскрова камера, і десятки лічильників, і складна електронна апаратура. Немає потреби перераховувати детальніше численні прилади лабораторії. Нам зараз набагато важливіше інше – що ж повинен являти собою чоловік – господар і організатор сучасного досліду?

Дуже багато дуже різних людей пишуть разом дивовижну, життєво важливу для людства книгу. Вона пишеться по шматках, у ній ще неясно бачаться навіть основні повороти сюжету. На строкатих сторінках то спливають окремі рядки з кінця, то раптом з’являються цілі розділи з середини. А іноді весь порядок книги доводиться перебудовувати наново, одні глави викидати зовсім, інші – переписувати. Ця книга, яка ніколи не буде дописана до кінця – наука про частки – жителів мікросвіту. У ній все змінюється в залежності від даних, які приносить експеримент. Природа досить голосно відповідає на точно поставлені питання, але іноді, немов мимохідь, до того ж впівголоса, повідомляє важливі подробиці. Так колись Рентген, вивчаючи електричний розряд в газах, звернув увагу на невидимі промені, які виходять від стінок приладу. Талановитий експериментатор відкрив відомі тепер всім рентгенівські промені.

Експериментатор повинен бути чуйним і чутливим співрозмовником природи. А чи достатньо цього? Колись, можливо, було достатньо. Але зараз ні. Жоден важливий дослід не обходиться без величезної кількості проміжних засобів та учасників. Вчений вже ніяк не походить тепер на маститого старця, який то самотньо чаклує в лабораторії, то говорить з благоговійно застиглим натовпом учнів.

Прискорювач – складна інженерна споруда з десятками побічних механізмів і установок. З ним працюють електронники та теплотехніки, вакуумники і приладники. Швидка частинка потрапляє потім у мішень, утворюючи вторинні частки або просто залишаючи слід. Якщо все це відбувається в бульбашковій водневій камері, то в роботу вступають холодильщик, а для постачання камери рідким воднем трудиться цілий завод. Все це праця не десятків, а сотень людей, маси різних фахівців. І, нарешті, безпосередній результат досліду – фотографії слідів частинок. Це сотні тисяч знімків, незліченна безліч обмірів і обчислень. Життя декількох експериментаторів не вистачило б на цю роботу. Це знову праця фахівців, що створюють машини для обробки результатів досліду.

Всіх цих людей десятків спеціальностей треба організувати, направити і зібрати воєдино їх зусилля. Але організаторської роботи, роботи командира мало. Треба ще бути, я б сказав, комісаром, треба знати характер і схильності людей, домогтися, щоб кожен розумів і цінував своє значення в результаті досліду. Треба у вирішальний момент (а такі моменти бувають часто в мирній боротьбі за таємниці природи) вміти повести всіх за собою. І – найголовніше – продовжувати залишатися солдатом-фізиком, який проводить експеримент.

Розповідь про внутрішньоядерні сили була би неповною без історії дослідів, які наштовхнули колись Резерфорда на думку про конструкцію атома, про ту модель атома, яка прийнята до сих пір. Тим більше, що це історія випадку, а випадок – нерідкий співучасник роботи всіх, хто пізнає таємниці природи. Випадок працює на користь науки навіть тоді, коли з ним стикаються (цього словесного каламбуру не можна уникнути) випадкові люди.

Початок минулого століття. У фізиці прийнята модель атома, запропонована Томсоном – велике позитивно заряджене ядро займає весь об’єм атома, а до цієї маси то тут, то там приліплені маленькі електрони. Частину подій, що відбуваються з атомом, можна було пояснити за допомогою цієї моделі, частину – не можна. Але замінити її було нічим.

Дуже багатий чоловік прийшов якось до Резерфорда. «Я хочу, щоб мій син мав вчену ступінь, – сказав він. – І пропоную наступне: Ви берете мого сина в лабораторію, де він за ряд пророблених робіт може отримати цю ступінь, а я плачу велику суму грошей і будую лікарню для бідних».

Якщо від грошей Резерфорд міг відмовитися, то відмовлятися від лікарні, яку отримало би місто, він себе вважав не вправі. Так в лабораторії з’явився новий фізик. Йому був доручений дослід, результати якого, користуючись моделлю атома Томсона, можна було передбачити заздалегідь. Позитивно зарядженими частинками, які випромінював шматочок радію, обстрілювався тонкий золотий листок. Одні частки повинні були пронизати його, не зачепивши атомів. Інші, «вдарившись» об нейтрально заряджений атом, могли відхилитися вбік на різні кути. Не повинно було бути тільки одного результату – завдяки відсутності (як думалося тоді) зосередженого позитивного заряду, частинки не могли полетіти назад під дією сил, що відбивають однаково заряджені тіла.

У добре поставленому досліді негативний результат – теж результат; багатий синок отримував вчену ступінь, а місто – лікарню для бідних. Дослід почався. Частинки бомбардували атоми, і на екранах з сірчистого цинку, куди влітали «спрацювалі» частинки, мерехтіли спалахи. Один з екранів був поставлений попереду мішені і, значить, повинен був пустувати. Але на подив експериментаторів на ньому теж з’явилися спалахи. Куля, відскочивши від мішені, поверталася назад, у бік стріляючої рушниці!

Дослід наводив на думку про те, що в глибинах атома існує позитивний зосереджений заряд, зовсім не розмазаний по всьому об’єму атома. Тоді за прилади сів найближчий помічник і учень Резерфорда, Ганс Гейгер, і незабаром була запропонована існуюча досі планетарна модель. Випадок йде назустріч тому, хто його шукає, тому випадковості в науці цілком закономірні.

Зараз пройшло багато років після відкриття ядра, але й досі фізикам недостатньо відомо – що утримує в ядрі однаково заряджені протони? Що утримує в ньому нейтрони? Звідки сили, що створюють в ядрі величезну щільність речовини? Адже один кубічний міліметр чисто ядерної речовини важив би сто тисяч тонн! Якби волокна листка паперу були з’єднані ядерними силами, то, щоб розірвати листок, знадобилися б кілька тисяч могутніх тягачів. Чи неправда, значні цифри? Сили, які утримують протони і нейтрони в ядрі і діють при зіткненні цих часток один з одним, називаються сильними взаємодіями. Поки що характер і особливості цих сил – стіна величезної і неприступної фортеці, до якої впритул підступила наука.

Сильні взаємодії поширюються тільки на дуже маленькі відстані. Десять в мінус дванадцятому ступені сантиметра, тисячні частини від мільярдної частки міліметра. Варто трохи збільшити цю відстань – сильні взаємодії замінюються звичними нам електромагнітними силами – однойменно заряджені частинки відштовхуються одна від одної.

Ми згадали про найбільші відстані, на яких проявляються сильні взаємодії, але є, очевидно, і нижня межа дії цих сил. Адже якби однаково заряджені протони (або цілі ядра) тільки притягувалися один до одного на цих крихітних відстанях, то вони надзвичайно близько підходили б один до одного. Однак цього не відбувається. Значить, десь на ще менших дистанціях знову проявляються сили відштовхування? Ряд теоретиків вважає, що так і є. А є припущення, що існує якийсь «ядерний клей», яким служать дрібні рухливі частки – мезони. Мезон, що стрімко рухається пов’язує в ядрі нуклони (тобто протони і нейтрони) приблизно так само, як м’яч утримує гравців на волейбольному майданчику.

Однак, не займаючись зараз здогадками, повернімося до задачі дослідження внутрішньоядерних сил. Здавалося б, чого простіше – при гранично можливих енергіях перевірити, що відбувається в момент зближення, навіть частинок, що зіштовхуються. І ось тут-то спливає відмінна риса сильних взаємодій, ще одна загадка ядра.

При зіткненні одна з одною двох частинок з високою енергією (наприклад, двох протонів) на місці мікрокатастрофи народжуються нові частинки.

Втім, діти зовсім несхожі на батьків. У них інша маса – наприклад, пі-мезон в 6 разів легше протона. У них інший час «життя» – той же пі-мезон існує тільки дві мільйонних частки секунди. Значить, завдання відразу ж незвичайно ускладнюється. Адже найпростіших учасників цих подій – пі-мезони вже не зіткнешся один з одним для з’ясування їх «взаємин». Прискорювач просто не встигне накопичити їх достатня кількість, щоб пучок мезонів-снарядів врізався в пучок мезонів-мішеней, викликаючи довгоочікуване зіткнення. Учасники передбачуваної зустрічі розпадуться ще по дорозі. А пучок нерухомих мезонів-мішеней і взагалі неможливо створити. Вони припинять своє існування, так і не ставши учасниками задуманої мікрокатастрофи.

І все-таки фізики знайшли вихід. Метод вирішення цього завдання про взаємодію нестійких частинок – перший пролом у фортеці під назвою Сильні Взаємодії. Справа в тому, що народжені під час зіткнення протонів легкі частинки – «близнюки» завдяки взаємодії один з одним на короткий час як би «злипаються» і частину шляху летять разом.

Коли ж вони, віддалившись на крихітну відстань, знову «розклеються» і розлетяться, їх енергії та інші «анкетні» дані можна вже розрахувати. Вивчення цих систем з «злиплих» частинок дуже важливо для фізики високих енергій.

Автор: А. І. Аліхманов.