Знаки питання у фізиці

Середина XIX століття була «смутним часом» у хімії. Серед різних «сортів» атомів ніяк не вдавалося знайти взаємозв’язку. А хаотичне нагромадження фактів вселяло зневіру. Один з найбільших хіміків XIX століття, француз Жан Дюма, дійшов до того, що запропонував взагалі викинути з науки поняття про атоми: на його думку, воно перетворилося на джерело плутанини, стало гальмом розвитку науки. Відкриття Д. Менделєєвим періодичного закону поклало край цим негараздам, і будівля хімічної науки набула стрункий, закінчений вигляд. Зате XX століття і початок століття XXІ – «смутні часи» у фізиці. Елементарних частинок – «цегли», з якої, за сучасними уявленнями, побудована вся жива і нежива природа, зараз налічується дуже багато: разом з резонансами – частинками, що живуть дуже короткий час, – їх щось близько ста, і це число продовжує збільшуватися.

Настав такий час, коли вже не можна «дивитися і дивуватися їх безлічі не роздумуючи про їх розташування та приведення в порядок…» Тому зараз у фізиці йдуть інтенсивні пошуки глибокого взаємозв’язку між елементарними частинками, пошуки закону, який пов’язав би воєдино різні «сорти» частинок.

В оглядовій доповіді по роботах в цій області відомий пакистанський теоретик А. Салам зазначив, що після довгих років провалів і розчарувань йому приємно повідомити про перші великі успіхи. Ряду вчених вдалося розбити елементарні частинки на певні сімейства і знайти співвідношення між масами частинок всередині цих сімейств. Тепер, знаючи масу однієї частки сімейства, можна обчислити масу інших.

Будь-яка теорія знаходить силу і життєвість, як тільки виправдовується її передбачення. Проба сил нової «систематики» пройшла досить успішно. Передбачена нею невідома раніше найважча частка омега-мінус недавно була виявлена експериментально. І все ж поки теорія елементарних частинок настільки далека від внутрішньої стрункості і досконалості, що той же А. Салам в кінці своєї доповіді показав жартівливу картинку, на якій була намальована перевернута піраміда з цегли-частинок, що лише якимось дивом балансує на своїй вершині. Можливо, вона і впаде.

«Ахіллесова п’ята» сучасної теорії елементарних частинок в тому, що при формальному обчисленні маси і заряди частинок в ній виходять нескінченними, хоча насправді це цілком конкретні величини, значення яких добре відомі з експериментів. Тому деякі фізики вважають, що успіхи нової теорії тимчасові і рано чи пізно вона зайде в глухий кут.

Секція нових, або, як казав професор Д. І. Блохінцев, «єретичних», ідей обговорювала роботи, в яких пропонується корінна ломка наших уявлень про простір і час. На думку цієї групи вчених, нескінченні маси і заряди при обчисленнях виходять в силу того, що ми вважаємо простір безперервним і маємо на увазі незмінність фізичних законів при переході навіть до найменших відстаней. Але це може виявитися не так, і насправді на дуже малих відстанях діють інші закони. Так само, як, скажімо, механіка Ньютона виявляється неспроможною при великих швидкостях, сучасна квантова механіка може виявитися неспроможною при малих відстанях. Автори робіт, представлених на секції нових ідей, вважають, що існує якась фундаментальна довжина – квант простору. Говорити про відстані, менші цієї довжини, безглуздо, як безглуздо, наприклад, говорити про швидкості, більші швидкості світла.

Поки простір «прозондований» до відстаней порядку 10 в мінус 14 см і ніякої дискретності не виявлено. Дослідження менших розмірів простору так само, як і багато інших проблем, впирається в створення прискорювачів частинок на дуже високі енергії. Тільки експеримент може винести остаточний вирок фантазіям теоретиків. І не можна забувати, що іноді він виявляється «осиновим кілком» для теорії.

У 1957 році відбулося одне з найбільших потрясінь у фізиці – повалення закону збереження парності в мікросвіті. До цього він вважався таким же непорушним законом природи, як, скажімо, закон збереження енергії. Всі свято вірили, що в світі є дзеркальна симетрія – рівноправність правого і лівого для фізичних процесів. Іншими словами, якщо замінити всю картину взаємодіючих частинок її дзеркальним відображенням, це ніяк не вплине на фізику процесу.

І ось виявилося, що при так званих слабких взаємодіях дзеркальна симетрія порушується. Тоді, за пропозицією академіка Л. Д. Ландау, був прийнятий складніший закон – закон збереження комбінованої парності, коли для збереження симетрії необхідно комбінувати дзеркальне відображення з переходом від матерії до антиматерії. (Подібна комбінована симетрія добре відома в декоративному мистецтві. Наприклад, картина данського художника Н. Ешера стане ідентичною своєму дзеркальному відображенню тільки в тому випадку, якщо змінити в ній світле забарвлення на темне. Точно така ж картина процесів в мікросвіті не зміниться, якщо, крім дзеркального відображення, ми ще замінимо всі частинки античастинками.)

Порушення закону було встановлено в результаті виявлення факту розпаду нейтрального ка-два-мезона на два пі-мезона. Така ймовірність, начебто забороненого природою розпаду – всього лише одна десятимільйонна, і все ж його вдалося помітити експериментаторам.

Справа в тому, що незбереження комбінованої парності означає порушення тимчасової парності в мікросвіті і, отже, незворотність елементарних явищ. Для пояснення наведемо приклад з кінозйомкою будь-якого процесу. Якщо, скажімо, зняти руйнування моста, а потім прокрутити плівку в зворотному напрямку, ми побачимо міст знову цілим і неушкодженим. А порушення тимчасової парності означає, що міст вже ніколи не повернеться в початкове положення, і на екрані буде відбуватися щось зовсім не відповідаюче нашим уявленням про те, що повинно бути,

Порушення закону комбінованої парності було встановлено при слабких взаємодіях – найбільш загадкових в сучасній науці. Взаємодії за їх інтенсивністю ділять на чотири види.

Сильні взаємодії здійснюються за рахунок ядерних сил. Така, наприклад, взаємодія між протоном і нейтроном, пі-мезоном і протоном (або нейтроном). Електромагнітні взаємодії – це взаємодії між електромагнітним полем і речовиною.

Енергія взаємодії в процесах бета-розпаду ядер і нейтронів, пі і мю-мезонів, а також енергія взаємодії нейтрино з речовиною приблизно в 10-12 разів менше енергії сильних взаємодій. Ці взаємодії так і назвали слабкими.

Четвертий вид взаємодії – гравітаційний. Він викликається силами тяжіння.

Відомо, що електромагнітні і гравітаційні взаємодії універсальні: вони не залежать від природи їх «учасників». Наприклад, гравітаційні взаємодії визначаються тільки величиною маси «учасників», неважливо, що притягається: розпечена зірка або трактор; електромагнітні взаємодії визначаються величиною заряду. Кілька років тому аналогічна гіпотеза була висловлена і в ставленні до слабких взаємодій. Але як її довести?

Якщо слабкі взаємодії універсальні, то властиві їм явища повинні проявлятися і у взаємодії ядерних часток – нуклонів, щодо яких до сих пір вважалося, що їм притаманні тільки сильні взаємодії. Значить, міркували теоретики, незбереження просторової парності має спостерігатися при сильних взаємодіях нуклонів. Легко сказати, «має спостерігатися», якщо домішка слабких взаємодій, за розрахунками, становить приблизно одну десятимільйонну на тлі всепоглинаючих сильних взаємодій!

Однак в деяких випадках ефекти слабких взаємодій відчувають своєрідне посилення. Ядерні рівні володіють певною просторовою парністю. Слабка взаємодія нуклонів перемішує рівні різної парності. І чим менше відстань між рівнями, тим сильніше вони перемішуються. В результаті виникає рівень, що не володіє дзеркальною симетрією. Гамма-промені, що випускаються ядром, що знаходяться на такому дзеркально-несиметричному рівні, будуть асиметричні.

Фізики Ю. Абов, Ю. Оратівський і П. Кручіцкий в тонкому експерименті з ядрами кадмію-113 виявили таку асиметрію. Аналогічний експеримент з гамма-променями, що випускаються ядрами танталу-181, поставили адлерські фізики Бойм і Конкелайт.

Отже, зроблено перший крок в доказі універсальності слабких взаємодій. Можливо, він в якійсь мірі допоможе просунутися в головному завданні теоретиків, тобто допоможе виявити зв’язок між чотирма полями різних видів взаємодій.

Остаточно підтвердити універсальність слабких взаємодій могли б експерименти за участю таємничого нейтрино – що ніколи не знаходиться в спокої, не має ні маси, ні заряду частинки. Вона єдина з усіх відомих частинок, яка бере участь лише в одному виді взаємодії – слабкому і тому є універсальним інструментом для її вивчення.

Незважаючи на свою ефемерність, нейтрино воістину всюдисуще. Воно завжди лине зі швидкістю світла, володіючи приголомшливою здатністю проникнення: чавунна плита, прокладена від Землі до Сатурна, для нейтрино так само прозора, як чисте повітря для сонячного променя. З глибокої товщі гігантських зірок, що міцно замикають всі інші частинки, вільно вириваються нейтрино і відлітають в простір, несучи з собою енергію. З нашого Сонця, невидимо і нечутно, але з невблаганною сталістю йде з нейтрино до 8 відсотків випромінюваної енергії. Навіть вночі потік нейтрино приходить від прихованого за горизонтом Сонця, легко пронизуючи товщу Землі.

Цей потік несе в 40 тисяч разів більше енергії, ніж місячне світло, але ніхто ніколи не бачив його, і жодна людина на Землі не знає, куди йде ця енергія і що з нею відбувається. Можливо, нейтрино і є той чарівний ключ до найпотаємніших таємниць природи – до законів будови і управління Всесвіту, який давно шукають фізики.

Чим відрізняються один від одного ці два види нейтрино, крім способу народження? Відповідь на це питання могла би пролити світло і на загадку мю-мезона, який абсолютно в усьому подібний до електронів, але має приблизно в 200 разів більшу масу. Чому? Яка його роль? Може бути, природа намагається розповісти за допомогою мю-мезона щось важливе, але поки не вдається зрозуміти сенс повідомлення?

Як бачите, в цьому абзаці занадто багато знаків питання, Для відповіді на них знову-таки потрібен різкий стрибок у збільшенні енергії прискорювачів. Чим більше енергія взаємодіючих частинок, тим менші відстані можна промацати, тим більше «прозорими» стають частинки. Різке підвищення енергії могло б, нарешті, стерти деякі знаки питання в проблемі слабких взаємодій.

Кожне поле має свій квант – переносник взаємодії. У сильних взаємодіях це пі-мезон, у електромагнітних – гамма-квант. Припускають, що слабкі взаємодії теж мають свій квант, названий проміжним бозоном. Виявлення його значно полегшило б побудову теорії слабких взаємодій. Проміжний бозон повинен з’являтися при народженні нейтрино, але, не дивлячись на старанні пошуки, поки не виявлений. Складні експерименти, виконані в ЦЕРНі, показали, що якщо проміжний бозон існує, то він дуже важкий: його маса, принаймні, в півтора рази більша за масу нуклонів. Для виявлення проміжного бозона потрібна висока енергія.

Щоб помітно збільшити енергію нейтрино, фізики запропонували створити на базі ядерного реактора (з літієм як поглинач нейтронів) імпульсний нейтринний генератор. Такий генератор дозволив би сконцентрувати на невеликих ділянках колосальні потоки нейтрино. За одну секунду через кожен квадратний сантиметр вимірювальної апаратури проходило б 10-15 нейтрино.

Американські фізики вирішили обрати інший шлях – зменшити фон перешкод, не збільшуючи потік нейтрино. Для цього, на їхню думку, можна використовувати звичайний потужний реактор, забезпечивши його дуже чутливими приладами. Здійснення тих і інших пропозицій дозволить в 1000 разів підсилити позитивний ефект взаємодії нейтрино з електронами. І, може бути, нарешті проясниться природа цих загадкових частинок, а також слабких взаємодій.

Автори: Олена Кнор і Борис Коновалов.