Теперь понятно, почему этот механизм "множественного рождения" пионизацию - нельзя рассматривать как развал самих сталкивающихся протонов. Ведь новые частицы образуются в этом случае из особого сгустка, порожденного, в свою очередь, из структурных элементов обоих протонов. Очень вероятно, что зародыши реальных мезонов, которые образуются в таком процессе, представляют собой "кварковые атомы", включающие в себя, скажем, кварки из одного протона и антикварк - из другого. Так что эти мезоны оказываются продуктом "коллективного творчества" обоих сталкивающихся протонов!
Новые мезоны, рождающиеся из сгустка, должны в определенной степени помнить о своем происхождении из единого сгустка кварк-партонного вещества. Видимо, этим и можно объяснить сильную взаимосвязь между ними, заметную взаимозависимость актов рождения различных мезонов. Не исключено, что в результате столкновения протонов образуется не один, а несколько сгустков, которые потом и распадаются, излучая адроны.
Что же это за сгустки? Не являются ли они теми самыми файрболами, о которых сообщали исследователи космических лучей?
Может быть, так и есть; но до полной уверенности еще далеко. Вообще нарисованная здесь картина "множественного рождения" имеет весьма предварительный характер. Многие, причем отнюдь не второстепенные детали пока еще не ясны. Скорее всего это своеобразный проект, набросок той картины, которая появится в будущей теории сильных взаимодействий.
Пока же вопросов все еще больше, чем ответов. Вы, конечно же, заметили, что все заголовки данной главы - тоже вопросы. Их на самом деле много - этих проблем, трудностей и неясностей, относящихся к поведению адронов. А лептоны, а фотон?
И здесь нерешенных задач больше, чем хотелось бы видеть, отмечая 80-летие самой красивой дамы физического королевства...
Впрочем, стоит вспомнить прекрасную бальзаковскую строку: "Ключом ко всякой науке является вопросительный знак". Она, несомненно, должна утешать исследователей микромира, у которых накопилась внушительная связка этих самых "ключей". Остается совсем немного - выяснить, какой из них послужит настоящим "золотым ключиком" к будущей теории элементарных частиц.
(C) Александр Потупа (Alexander Potupa) Бег за бесконечностью. Молодая гвардия (Эврика), Москва, 1977 (Run for Infinity; переводы: на венгерский - Utazas az elemi reszecskek vilagaba. Muszaki Konyvkiado,Budapest, 1980; на болгарский - Гонене на безкрайността. Наука и изкуство (Еврика), София, 1980)
ГЛАВА ШЕСТАЯ, ПОЛНОСТЬЮ НАПРАВЛЕННАЯ В БУДУЩЕЕ
Что самое общее для всех Надежда; ибо если у кого и ничего нет, то она есть.
Фалес Милетский
НАДЕЖДЫ, ДЕНЬГИ И ВСЕ ТАКОЕ...
Я долго соображал, как назвать этот раздел. По инерции, унаследованной от предыдущей главы, проносились вопросительные заголовки типа: "К чему мы стремимся?", или: "Сколько стоит Бег за Бесконечностью?" В конечном счете, эти вопросы и определяют цель очередного рассказа.
Физики все время стремятся к предельному упрощению картины сильных взаимодействий. Существует предположение, что эта картина должна действительно упрощаться с ростом энергии сталкивающихся частиц. На первый взгляд оно кажется чуть ли не парадоксальным. Например, с ростом энергии рождается все больше и больше адронов, а разбираться с несколькими частицами, образовавшимися в результате соударения, уже довольно сложно.
Но в том-то и дело, что речь должна идти не о "несколько" и даже не о "много", а об "очень много". И именно в последнем случае мы может рассчитывать на определенную простоту.
Во-первых, при достаточно высоких энергиях физики могут столкнуться с каким-то новым субэлементарным уровнем строения вещества и объяснить, таким образом, устройство известных элементарных частиц. Это, конечно, идеальный вариант, несколько напоминающий историю атомной физики. Ведь в свое время атомы были поняты благодаря тому, что из них удалось выделить составные части - электроны и ядра. Несмотря на то, что и электроны и ядра до сих пор остаются в роли изучаемых и недостаточно понятных объектов, структура атомов считается известной и весьма простой. Казалось бы, идеи о кварковой и партонной структуре адронов хорошо оправдываются, и, следовательно, открытие субэлементарного уровня вот-вот произойдет.
Но что делать, если реальные кварки так и не появятся? Как вы помните, это не столь уж и удивительная возможность - кварки могут быть навечно заперты внутри адронов огромными силами притяжения. Оказывается, что и в этом случае необходимо стремиться к изучению взаимодействия частиц при все более высоких энергиях
Дело в том, что, хотя кварки и заперты внутри адрона и никаким сколь угодно сильным ударом их нельзя оттуда извлечь в чистом виде, с ростом энергии их присутствие в адроне будет проявляться все отчетливей. Пусть экспериментаторы так никогда и не увидят следы составных частей адрона на фотопленке: важно то, что чем больше энергия налетающей на адрон частицы, тем лучше она, эта частица, будет чувствовать отдельные элементы структуры кварки. В конце концов тогда картина адронных процессов станет достаточно простой, и мы сумеем выяснить природу межкварковых сил.
Нелегко представить себе составной объект, из которого никоим способом нельзя выделить его составные части. Их можно почувствовать, только взаимодействуя со всем объектом как с целым... Это трудное новое представление, с которым постепенно придется осваиваться, подобно тому, как лет 50 назад с трудом осваивалась квантовомеханическая картина атома.
Стремление работать со все более высокими энергиями основано, конечно, не только на желании разобраться в поведении и структуре адронов. Одна из самых важных задач, стоящих перед физиками, - детальный анализ слабых взаимодействий элементарных частиц. Единственная частица, которая непосредственно участвует только в слабых взаимодействиях, - это нейтрино. Поэтому все больший интерес вызывают эксперименты по рассеянию нейтрино высоких энергий на протонах, лептонах и атомных ядрах.
Современная модель слабых взаимодействий предсказывает, например, очень быстрый рост сечения рассеяния нейтрино на протонах. Самое любопытное состоит в том, что пока экспериментальные данные очень хорошо подтверждают это предсказание. С другой стороны, общие принципы современной теории позволяют заключить, что эта модель при достаточно высоких энергиях непременно должна нарушиться.
Столь же интересные проблемы существуют и в физике электромагнитных взаимодействий. Важно узнать, вплоть до каких энергий будет применима квантовая электродинамика? Как будут вести себя сверхэнергичные фотоны, сталкиваясь с электронами и адронами? И это все - лишь небольшая часть многих и многих совершенно конкретных задач, требующих постановки экспериментов при все более высоких энергиях.
Вообще-то физики всегда надеются на открытие чего-нибудь совершенно неожиданного, и надежды часто оправдываются. Но это, как правило, лишь неизбежные подарки природы за настойчивость исследователей. Бывает, что обнаруживаются и фантастические частицы, и удивительные закономерности, однако, как мы уже не раз успели убедиться, под "принеси то, не знаю что" опытов никто не ставит и ускорителей никто не строит.
Стэнфордский электронный ускоритель создавался с вполне определенной целью - надо было более глубоко изучить структуру адронов и, конечно, проверить, пригодна ли современная квантовая электродинамика для описания явлений в области достаточно высоких энергий. Открытие партонов послужило прекрасным оправданием этого проекта - ведь были обнаружены новые элементы структуры нуклона!
Кроме того, в Стэнфорде была построена специальная установка СПИР накопительное кольцо для того, чтобы иметь возможность сталкивать между собой пучки электронов и позитронов. Этот проект преследовал сравнительно скромную цель - измерить сечения различных процессов, возникающих при электрон-позитронных столкновениях. Но за внешне скромной идеей стояли великие надежды. Ведь квантовая электродинамика дает четкие предсказания по поводу взаимодействия этих частиц, однако при высоких энергиях эта теория становится недостаточной, поскольку электрон и позитрон охотно аннигилируют в адроны, и тут уж без знания законов сильных взаимодействий не обойтись. Надо было разобраться, что же идет от чисто электромагнитных взаимодействий, а что - от адронных процессов. Физики и раньше предчувствовали, что вклад последних не так уж мал, но го, что они увидели, превзошло все ожидания.
В конце осени 1974 года научный мир был потрясен серией удивительных сообщений. Американский журнал "Письма в физическое обозрение" поместил сразу три небольшие заметки на одну и ту же тему. Во всех трех говорилось, что в электрон-позитронных столкновениях обнаружен новый тип резонансных частиц. Заметки поступили практически одновременно из Брукхэвена, из Стэнфорда и из итальянского города Фраскати, причем итальянцы, чтобы не терять время на почтовую пересылку, продиктовали свою статью прямо по телефону...
Новые частицы пси-мезоны, как их сразу обозначили, обладали весьма примечательными свойствами: массами более 3 ГэВ и слишком большим временем жизни, чтобы считать их обычными адронными резонансами. Некоторое время сохранялась надежда, что сделано "открытие века" - найдены, наконец, долгожданные зэт-мезоны - гипотетические переносчики слабых взаимодействий наряду с дубль-вэ-мезонами (заместители фотонов по "слабым силам").
По поводу дубль-вэ-мезонов и дубль-зэт-мезонов физики думали, что они будут иметь большие массы и взаимодействовать только слабым и электромагнитным образом. Но вскоре было доказано, что пси-мезоны настоящие адроны, а их долгожительство оказалось действительно сложнейшей проблемой. В процессе ее исследования выяснилось, что теперь уже без нового квантового числа - "очарования" обойтись практически невозможно Пси-мезоны должны быть своеобразными кварковыми атомами, состоящими как раз из "очарованного" кварка и антикварка.
История открытия пси-мезонов интересна и сама по себе, но для нас она играет дополнительную роль как пример незапланированного открытия в сугубо плановых экспериментах. В Брукхэвене опыты ставились на старом протонном ускорителе, работающем уже с 1960 года, и изучались электрон-позитронные пары, образующиеся в результате бомбардировки ядер бериллия протонами. В Стэнфорде же и во Фраскати исследования велись на установках, специально созданных для получения высокоэнергетических электронных и позитронных пучков. Но, конечно, ни в одном из этих центров не предполагали, что удастся открыть именно пси-частицы, а просто выполняли весьма обширные программы по измерению сечений электрон-позитронных взаимодействий. Можно ли сказать, что исследователям просто повезло? Только лишь отчасти! Ибо не имей они ясных целей, до везения дело бы просто не дошло.
Без хорошо обоснованных экспериментальных программ современная физика высоких энергий совершенно немыслима. И дело здесь не только в скептическом или восторженном отношении к броскам "в нечто неведомое". За эмоциями стоят весьма серьезные, хотя и несколько прозаические аргументы - рубли, доллары, фунты, марки...
Вот Серпуховский ускоритель. Его протонный пучок разгоняется до 76 ГэВ и несет примерно два с половиной триллиона частиц в каждом импульсе. В полуторакилометровом подземном туннеле установлены 120 магнитных блоков общим весом 20 тысяч тонн...
Батавия. "Колечко" радиусом один километр, по которому разбросано 954 магнита весом от 5 до 11 тонн каждый. Достигнута энергия 405 ГэВ...
Американцы, умеющие мгновенно находить долларовый эквивалент чего угодно, как-то подсчитали, что один гигаэлектрон-вольт нового ускорителя обходится в среднем ни много ни мало ровно в миллион долларов! Так что каждый очередной шаг в глубь микромира требует и серьезных экономических размышлений.
Нужно иметь высокоразвитую техническую и экономическую базу, чтобы создавать мощные ускорительные установки. Пока этими возможностями располагают две страны: СССР и США. Уже сейчас ни одна страна мира, за исключением Советского Союза и Соединенных Штатов, не способна собственными силами построить ускоритель с энергией пучка 100-1000 ГэВ и обеспечить необходимое финансирование дальнейшей его работы. Двенадцати крупнейшим государствам Западной Европы, среди которых Франция, ФРГ, Англия, Италия, пришлось объединить усилия, чтобы создать ЦЕРН, где работает ускоритель на 30 ГэВ. Несколько лет назад там было создано накопительное кольцо, позволяющее исследовать взаимодействия протонов при энергиях до 2000 ГэВ. Уже подготовлен к пуску новейший суперсинхротрон с энергией протонного пучка до 400 ГзВ, а на очереди - новое накопительное кольцо, которое позволит столкнуть два пучка по 400 ГэВ друг с другом, то есть наблюдать процессы, происходящие при 320 тысячах ГэВ (320 триллионов электрон-вольт!).
Прекрасным примером "эволюционизирующего ускорителя" служит Батавийский синхротрон. Первоначальный проект предполагал вывод пучка до 200 ГэВ. Сейчас уже достигнут рубеж 400. Не за горами и покорение следующего рубежа - 500. После этого предусмотрена серьезная перестройка ускорителя - будет введено в строй кольцо со сверхпроводящими магнитами, которое обеспечит гораздо большее магнитное поле. Это позволит при том же радиусе кольцевого туннеля получить частицы с энергией до 1000 ГэВ. Предусмотрено также строительство накопительного кольца, что позволит в не слишком далеком будущем приступить к исследованию адронных процессов при энергиях до 2 миллионов ГэВ.
Развитие физики элементарных частиц и атомного ядра рассматривается как ведущее направление в советских научно-исследовательских программах.
Большая программа реконструкции намечена сейчас и в Серпухове. Рабочие площадки Института физики высоких энергий станут настоящим "комбинатом" по раскрытию тайн микромира. Главные усилия будут приложены к сооружению нового ускорителя примерно на 1200 ГзВ. Длина кольцевого туннеля достигнет 20 километров! Рядом с этим гигантом расположатся накопительные кольца и другие ускорительные установки, где будут разгоняться до фантастических скоростей не только протоны, но и электроны. Предусмотрены специальные установки для получения интенсивных пучков античастиц, прежде всего антипротонов и позитронов. Таким образом, физики получат уникальные возможности решения множества задач. Исследования будут вестись гораздо более широким фронтом, чем в любом ныне действующем центре, - ведь у экспериментаторов появятся пучки самых различных частиц при различных энергиях, причем в невиданно широком диапазоне. В проекте заложены и превосходные возможности развития. Для всех крупнейших ускорителей Серпуховского комплекса предусмотрен последующий переход к сверхсильным магнитам, которые позволят значительно увеличить энергии частиц.
Интересную идею проводят в жизнь ученые Объединенного института ядерных исследований в Дубне. По инициативе директора Лаборатории высоких энергий, члена-корреспондента АН СССР А. Балдина старый Дубненский синхрофазотрон "переведен на новую работу" - теперь он ускоряет не отдельные частицы, а целые атомные ядра.
Все эти достижения превосходны. Однако дальнейшее движение вперед потребует новых особых усилий. К сожалению, накопительные кольца - не панацея от всех бед. На встречных пучках нельзя поставить многие необходимые эксперименты, да и точность доступных измерений в этом случае значительно ниже, чем на обычной установке с пучком, падающим на неподвижную мишень из конденсированного вещества. Поэтому физики не "почили на лаврах". Они упорно ищут новые идеи получения чрезвычайно высоких энергий при сравнительно небольших размерах и весе установки. Уже много лет в Дубне разрабатывается оригинальный метод коллективного ускорения. Высокая эффективность достигается здесь за счет того, что разгоняется, скажем, не чистый пучок протонов, а целый коллектив частиц - своеобразный комок плазмы с большим суммарным зарядом. В случае успеха этот метод откроет исключительные перспективы.
Но не следует, конечно, забывать, что сама разработка новых принципов ускорения тоже требует значительных средств. Это показала и история внедрения сверхпроводящих магнитных систем, и исследования по коллективным методам. Реальные затраты на осуществление крупных высокоэнергетических программ достигают астрономических цифр. Бюджет ЦЕРНа на 1976 год составлял около 663 миллионов швейцарских франков. Европейский центр занимает территорию свыше 550 гектаров по обе стороны франко-швейцарской границы. Под площадку Национальной ускорительной лаборатории в Батавии было отведено 2750 гектаров, и американцы за одну только электроэнергию платят несколько миллионов долларов в год!
Все эти затраты на штурм микромира наводят на разнообразные размышления. Почему общество столь щедро на организацию исследований в области физики высоких энергий? Такой вопрос нередко возникает и у ученых, и у людей, далеких от науки. Подробное обсуждение данной проблемы не входит в наши цели. Отметим только один общий момент. Щедрость - дело тоже относительное. Разумеется, сумма, которую конгресс США выделил на строительство ускорителя в Батавии, - 250 миллионов долларов - производит неотразимое впечатление. Но ведь, скажем, одна подводная суперлодка "Огайо" с ядерными "трайдентами" на борту стоит "всего-навсего" один миллиард долларов...
Проблема конкуренции физики высоких энергий с другими разделами физики и с целыми областями науки - тема очень глубокая и интересная. Государственный бюджет не резиновый, и каждый лишний миллион на ускорители заставляет притормаживать другие важные и дорогостоящие исследования. По этому поводу высказывались многие крупнейшие ученые, и появились даже некие крайние позиции: развивать физику высоких энергий, что называется, по потребности и предельно мощными темпами или, наоборот, притормозить ее развитие ради более активного финансирования других жизненно важных работ, например, термоядерной энергетики, медико-биологических исследований, повсеместного внедрения лазерной технологии и тому подобное.
Сейчас трудно сказать, кто первым начал отстаивать такие крайние позиции, но обе они не кажутся приемлемыми.
Развитие физики высоких энергий в ущерб другим областям таит серьезную опасность, и едва ли не в первую очередь для нее же самой. Дело в том, что успешная работа современных ускорителей обеспечивается огромной совокупностью самых современных достижений в десятках разделов науки и техники. Гигантские камеры для регистрации событий - подлинное чудо физико-химической и инженерной мысли. А куда деваться сейчас без электроники, без "думающих" машин? Подобно тому, как растение увядает без питательной, непрерывно обновляемой среды, физика высоких энергий не способна развиваться в области экспериментальных средств без интенсивного развития всей науки.
Противоположная крайность приводит к не меньшему застою. Процессы с элементарными частицами при высоких энергиях крайне далеки от человеческой практики, считают сторонники такой точки зрения. Другое дело атомно-молекулярный и даже ядерный уровень. Прорыв к ним обеспечил фантастический прогресс в понимании структуры обычного вещества, позволил добыть новые виды энергии. Теперь же, когда исследования ушли в область редко осуществляющихся условий, а вещество, разогретое до тысяч триллионов градусов (соответствует энергиям батавского пучка), представляет собой редкое явление - нет смысла слишком спешить, поскольку "не типичное - не используешь". Не лучше ли обратить, если не все, то хотя бы значительную часть средств, которые затрачиваются на ускорители, на другие важные и благородные задачи, прежде всего на ускоренную разработку термоядерных станций и борьбу с самыми опасными заболеваниями?
По поводу опасности пессимистических прогнозов физики любят приводить такой факт: сам Э. Резерфорд, умерший за год до расщепления атомного ядра и за пять лет до пуска первого ядерного реактора, до конца своих дней был уверен, что ядерная физика не несет никаких серьезных прикладных возможностей.
Это вполне справедливое напоминание. Не исключено, что и физика элементарных частиц откроет перед человечеством фантастические источники энергии, причем не в столь уж и отдаленные сроки. Но это может остаться и приятной мечтой. А вот в другом направлении уже есть великолепные достижения. В деле концентрации энергии современные ускорители не знают себе равных, и именно здесь четко вырисовываются контуры новой революции в прикладной науке и в технологии.
В пучке высокоэнергетических частиц ускоритель способен создать такую концентрацию энергии, которую в принципе нельзя получить никаким иным методом. Уже сейчас протонные пучки успешно выжигают внутренние раковые опухоли без малейшего повреждения не только кожного покрова, но и окружающих опухоль здоровых тканей. Точная фокусировка при больших мощностях осуществляется благодаря замечательным свойствам сильных взаимодействий. Мощные электронные ускорители позволяют "зажигать" плазменные реакторы. Ускорители становятся привычным элементом не только онкологических центров и термоядерных установок - они приходят и в промышленность. Разработка дубненскими физиками метода изготовления сверхтонких фильтров для пищевой и химической промышленности и с помощью интенсивных ионных пучков позволила добиться резкого повышения качества ряда продуктов и принесла государству многомиллионную экономию. В общем, дискуссии идут, а частицы высоких энергий работают...
Кто-то подсчитал, что все затраты на фундаментальную науку от "царя Гороха" до наших дней с лихвой окупаются всего лишь недельным выпуском промышленной продукции во всем мире. Жаль, что очень трудно (я думаю, вообще невозможно!) учесть, какой процент мировой продукции целиком обязан достижениям фундаментальной науки...
И, наконец, обратимся к внутренним разногласиям в физике высоких энергий. В сущности, это не столько разногласия, сколько деловая дискуссия о путях развития. Резкий взлет ускорительной техники, бесспорно, послужил сигналом к некоторому скепсису в отношении космических лучей. Сравнительно низкая точность результатов и сама форма работы "сидеть у моря (чаще в горах!) и ждать погоды" стали слишком сильным испытанием терпения физиков. Но прошло время, и стало ясно, что "космики" действительно предсказывали едва ли не все важнейшие результаты на основе своих скудных данных.
Например, в настоящее время они указывают на проявление каких-то новых эффектов в районе 1014-1015 электрон-вольт, и это служит дополнительным стимулом к быстрейшему созданию накопительных колец для предварительной проверки их данных. Исследования космических лучей вступили сейчас в своеобразную фазу индустриализации - на высокогорье разворачиваются огромные площадки счетчиков (на советской станции "Памир" - 1000 квадратных метров!), аппаратура для регистрации энергичных космических частиц устанавливается на спутниках, запускаются целые научные станции... Недалек тот день, когда "космики" осуществят заветную мечту - установят стационарные наборы счетчиков на поверхности Луны.
В целом проблема внутренней и внешней конкуренции физики высоких энергий сама является предметом научных изысканий. Поэтому легко разобраться только с крайними, а потому всегда уязвимыми точками зрения. Большинство же предложений вблизи "золотой середины" требует тщательного изучения специалистами по планированию.
Сложная развивающаяся наука в сложном развивающемся мире...
САМАЯ БОЛЬШАЯ МЕЧТА
Обсуждая множество серьезных и сверхсерьезных проблем, мы как-то позабыли о нашем прекрасном аппарате - машине времени. Негоже, чтобы такая полезная конструкция ржавела в углу, когда речь идет о более или менее далеких перспективах. Полеты в будущее потому и стали излюбленной темой фантастов, что прогнозы волнуют всех, и в то же время дело это сравнительно безобидное. Особенно если предсказываются вещи радостные и легко понятные.
Предсказатели-пессимисты должны всегда помнить о судьбе Кассандры, дочери троянского царя Приама. Ее сочли ненормальной, а между тем она выдала вполне оправдавшийся прогноз о скорой гибели Трои. Горькая судьба молодой царевны стала предметом многих споров. Как понимать случившееся элементарная несправедливость или воздаяние по заслугам за бессмысленное карканье? Впрочем, пессимистам всегда трудно добиться признания. Если их пророчества не оправдываются, то они попадают в неудобное положение "врагов прогресса". Если, наоборот, сбываются, то обычно и похвалить бывает некому на фоне беды их идеи выглядят весьма сомнительной заслугой.
С оптимистами все не так. Предсказав нечто пригожее, они имеют огромные шансы на признательность и современников и потомков. Если же предсказание не оправдывается - опять-таки не до ругани, люди, дескать, хорошего хотели, а теперь надо спасать положение, а не вспоминать об иллюзиях...
Новые мезоны, рождающиеся из сгустка, должны в определенной степени помнить о своем происхождении из единого сгустка кварк-партонного вещества. Видимо, этим и можно объяснить сильную взаимосвязь между ними, заметную взаимозависимость актов рождения различных мезонов. Не исключено, что в результате столкновения протонов образуется не один, а несколько сгустков, которые потом и распадаются, излучая адроны.
Что же это за сгустки? Не являются ли они теми самыми файрболами, о которых сообщали исследователи космических лучей?
Может быть, так и есть; но до полной уверенности еще далеко. Вообще нарисованная здесь картина "множественного рождения" имеет весьма предварительный характер. Многие, причем отнюдь не второстепенные детали пока еще не ясны. Скорее всего это своеобразный проект, набросок той картины, которая появится в будущей теории сильных взаимодействий.
Пока же вопросов все еще больше, чем ответов. Вы, конечно же, заметили, что все заголовки данной главы - тоже вопросы. Их на самом деле много - этих проблем, трудностей и неясностей, относящихся к поведению адронов. А лептоны, а фотон?
И здесь нерешенных задач больше, чем хотелось бы видеть, отмечая 80-летие самой красивой дамы физического королевства...
Впрочем, стоит вспомнить прекрасную бальзаковскую строку: "Ключом ко всякой науке является вопросительный знак". Она, несомненно, должна утешать исследователей микромира, у которых накопилась внушительная связка этих самых "ключей". Остается совсем немного - выяснить, какой из них послужит настоящим "золотым ключиком" к будущей теории элементарных частиц.
(C) Александр Потупа (Alexander Potupa) Бег за бесконечностью. Молодая гвардия (Эврика), Москва, 1977 (Run for Infinity; переводы: на венгерский - Utazas az elemi reszecskek vilagaba. Muszaki Konyvkiado,Budapest, 1980; на болгарский - Гонене на безкрайността. Наука и изкуство (Еврика), София, 1980)
ГЛАВА ШЕСТАЯ, ПОЛНОСТЬЮ НАПРАВЛЕННАЯ В БУДУЩЕЕ
Что самое общее для всех Надежда; ибо если у кого и ничего нет, то она есть.
Фалес Милетский
НАДЕЖДЫ, ДЕНЬГИ И ВСЕ ТАКОЕ...
Я долго соображал, как назвать этот раздел. По инерции, унаследованной от предыдущей главы, проносились вопросительные заголовки типа: "К чему мы стремимся?", или: "Сколько стоит Бег за Бесконечностью?" В конечном счете, эти вопросы и определяют цель очередного рассказа.
Физики все время стремятся к предельному упрощению картины сильных взаимодействий. Существует предположение, что эта картина должна действительно упрощаться с ростом энергии сталкивающихся частиц. На первый взгляд оно кажется чуть ли не парадоксальным. Например, с ростом энергии рождается все больше и больше адронов, а разбираться с несколькими частицами, образовавшимися в результате соударения, уже довольно сложно.
Но в том-то и дело, что речь должна идти не о "несколько" и даже не о "много", а об "очень много". И именно в последнем случае мы может рассчитывать на определенную простоту.
Во-первых, при достаточно высоких энергиях физики могут столкнуться с каким-то новым субэлементарным уровнем строения вещества и объяснить, таким образом, устройство известных элементарных частиц. Это, конечно, идеальный вариант, несколько напоминающий историю атомной физики. Ведь в свое время атомы были поняты благодаря тому, что из них удалось выделить составные части - электроны и ядра. Несмотря на то, что и электроны и ядра до сих пор остаются в роли изучаемых и недостаточно понятных объектов, структура атомов считается известной и весьма простой. Казалось бы, идеи о кварковой и партонной структуре адронов хорошо оправдываются, и, следовательно, открытие субэлементарного уровня вот-вот произойдет.
Но что делать, если реальные кварки так и не появятся? Как вы помните, это не столь уж и удивительная возможность - кварки могут быть навечно заперты внутри адронов огромными силами притяжения. Оказывается, что и в этом случае необходимо стремиться к изучению взаимодействия частиц при все более высоких энергиях
Дело в том, что, хотя кварки и заперты внутри адрона и никаким сколь угодно сильным ударом их нельзя оттуда извлечь в чистом виде, с ростом энергии их присутствие в адроне будет проявляться все отчетливей. Пусть экспериментаторы так никогда и не увидят следы составных частей адрона на фотопленке: важно то, что чем больше энергия налетающей на адрон частицы, тем лучше она, эта частица, будет чувствовать отдельные элементы структуры кварки. В конце концов тогда картина адронных процессов станет достаточно простой, и мы сумеем выяснить природу межкварковых сил.
Нелегко представить себе составной объект, из которого никоим способом нельзя выделить его составные части. Их можно почувствовать, только взаимодействуя со всем объектом как с целым... Это трудное новое представление, с которым постепенно придется осваиваться, подобно тому, как лет 50 назад с трудом осваивалась квантовомеханическая картина атома.
Стремление работать со все более высокими энергиями основано, конечно, не только на желании разобраться в поведении и структуре адронов. Одна из самых важных задач, стоящих перед физиками, - детальный анализ слабых взаимодействий элементарных частиц. Единственная частица, которая непосредственно участвует только в слабых взаимодействиях, - это нейтрино. Поэтому все больший интерес вызывают эксперименты по рассеянию нейтрино высоких энергий на протонах, лептонах и атомных ядрах.
Современная модель слабых взаимодействий предсказывает, например, очень быстрый рост сечения рассеяния нейтрино на протонах. Самое любопытное состоит в том, что пока экспериментальные данные очень хорошо подтверждают это предсказание. С другой стороны, общие принципы современной теории позволяют заключить, что эта модель при достаточно высоких энергиях непременно должна нарушиться.
Столь же интересные проблемы существуют и в физике электромагнитных взаимодействий. Важно узнать, вплоть до каких энергий будет применима квантовая электродинамика? Как будут вести себя сверхэнергичные фотоны, сталкиваясь с электронами и адронами? И это все - лишь небольшая часть многих и многих совершенно конкретных задач, требующих постановки экспериментов при все более высоких энергиях.
Вообще-то физики всегда надеются на открытие чего-нибудь совершенно неожиданного, и надежды часто оправдываются. Но это, как правило, лишь неизбежные подарки природы за настойчивость исследователей. Бывает, что обнаруживаются и фантастические частицы, и удивительные закономерности, однако, как мы уже не раз успели убедиться, под "принеси то, не знаю что" опытов никто не ставит и ускорителей никто не строит.
Стэнфордский электронный ускоритель создавался с вполне определенной целью - надо было более глубоко изучить структуру адронов и, конечно, проверить, пригодна ли современная квантовая электродинамика для описания явлений в области достаточно высоких энергий. Открытие партонов послужило прекрасным оправданием этого проекта - ведь были обнаружены новые элементы структуры нуклона!
Кроме того, в Стэнфорде была построена специальная установка СПИР накопительное кольцо для того, чтобы иметь возможность сталкивать между собой пучки электронов и позитронов. Этот проект преследовал сравнительно скромную цель - измерить сечения различных процессов, возникающих при электрон-позитронных столкновениях. Но за внешне скромной идеей стояли великие надежды. Ведь квантовая электродинамика дает четкие предсказания по поводу взаимодействия этих частиц, однако при высоких энергиях эта теория становится недостаточной, поскольку электрон и позитрон охотно аннигилируют в адроны, и тут уж без знания законов сильных взаимодействий не обойтись. Надо было разобраться, что же идет от чисто электромагнитных взаимодействий, а что - от адронных процессов. Физики и раньше предчувствовали, что вклад последних не так уж мал, но го, что они увидели, превзошло все ожидания.
В конце осени 1974 года научный мир был потрясен серией удивительных сообщений. Американский журнал "Письма в физическое обозрение" поместил сразу три небольшие заметки на одну и ту же тему. Во всех трех говорилось, что в электрон-позитронных столкновениях обнаружен новый тип резонансных частиц. Заметки поступили практически одновременно из Брукхэвена, из Стэнфорда и из итальянского города Фраскати, причем итальянцы, чтобы не терять время на почтовую пересылку, продиктовали свою статью прямо по телефону...
Новые частицы пси-мезоны, как их сразу обозначили, обладали весьма примечательными свойствами: массами более 3 ГэВ и слишком большим временем жизни, чтобы считать их обычными адронными резонансами. Некоторое время сохранялась надежда, что сделано "открытие века" - найдены, наконец, долгожданные зэт-мезоны - гипотетические переносчики слабых взаимодействий наряду с дубль-вэ-мезонами (заместители фотонов по "слабым силам").
По поводу дубль-вэ-мезонов и дубль-зэт-мезонов физики думали, что они будут иметь большие массы и взаимодействовать только слабым и электромагнитным образом. Но вскоре было доказано, что пси-мезоны настоящие адроны, а их долгожительство оказалось действительно сложнейшей проблемой. В процессе ее исследования выяснилось, что теперь уже без нового квантового числа - "очарования" обойтись практически невозможно Пси-мезоны должны быть своеобразными кварковыми атомами, состоящими как раз из "очарованного" кварка и антикварка.
История открытия пси-мезонов интересна и сама по себе, но для нас она играет дополнительную роль как пример незапланированного открытия в сугубо плановых экспериментах. В Брукхэвене опыты ставились на старом протонном ускорителе, работающем уже с 1960 года, и изучались электрон-позитронные пары, образующиеся в результате бомбардировки ядер бериллия протонами. В Стэнфорде же и во Фраскати исследования велись на установках, специально созданных для получения высокоэнергетических электронных и позитронных пучков. Но, конечно, ни в одном из этих центров не предполагали, что удастся открыть именно пси-частицы, а просто выполняли весьма обширные программы по измерению сечений электрон-позитронных взаимодействий. Можно ли сказать, что исследователям просто повезло? Только лишь отчасти! Ибо не имей они ясных целей, до везения дело бы просто не дошло.
Без хорошо обоснованных экспериментальных программ современная физика высоких энергий совершенно немыслима. И дело здесь не только в скептическом или восторженном отношении к броскам "в нечто неведомое". За эмоциями стоят весьма серьезные, хотя и несколько прозаические аргументы - рубли, доллары, фунты, марки...
Вот Серпуховский ускоритель. Его протонный пучок разгоняется до 76 ГэВ и несет примерно два с половиной триллиона частиц в каждом импульсе. В полуторакилометровом подземном туннеле установлены 120 магнитных блоков общим весом 20 тысяч тонн...
Батавия. "Колечко" радиусом один километр, по которому разбросано 954 магнита весом от 5 до 11 тонн каждый. Достигнута энергия 405 ГэВ...
Американцы, умеющие мгновенно находить долларовый эквивалент чего угодно, как-то подсчитали, что один гигаэлектрон-вольт нового ускорителя обходится в среднем ни много ни мало ровно в миллион долларов! Так что каждый очередной шаг в глубь микромира требует и серьезных экономических размышлений.
Нужно иметь высокоразвитую техническую и экономическую базу, чтобы создавать мощные ускорительные установки. Пока этими возможностями располагают две страны: СССР и США. Уже сейчас ни одна страна мира, за исключением Советского Союза и Соединенных Штатов, не способна собственными силами построить ускоритель с энергией пучка 100-1000 ГэВ и обеспечить необходимое финансирование дальнейшей его работы. Двенадцати крупнейшим государствам Западной Европы, среди которых Франция, ФРГ, Англия, Италия, пришлось объединить усилия, чтобы создать ЦЕРН, где работает ускоритель на 30 ГэВ. Несколько лет назад там было создано накопительное кольцо, позволяющее исследовать взаимодействия протонов при энергиях до 2000 ГэВ. Уже подготовлен к пуску новейший суперсинхротрон с энергией протонного пучка до 400 ГзВ, а на очереди - новое накопительное кольцо, которое позволит столкнуть два пучка по 400 ГэВ друг с другом, то есть наблюдать процессы, происходящие при 320 тысячах ГэВ (320 триллионов электрон-вольт!).
Прекрасным примером "эволюционизирующего ускорителя" служит Батавийский синхротрон. Первоначальный проект предполагал вывод пучка до 200 ГэВ. Сейчас уже достигнут рубеж 400. Не за горами и покорение следующего рубежа - 500. После этого предусмотрена серьезная перестройка ускорителя - будет введено в строй кольцо со сверхпроводящими магнитами, которое обеспечит гораздо большее магнитное поле. Это позволит при том же радиусе кольцевого туннеля получить частицы с энергией до 1000 ГэВ. Предусмотрено также строительство накопительного кольца, что позволит в не слишком далеком будущем приступить к исследованию адронных процессов при энергиях до 2 миллионов ГэВ.
Развитие физики элементарных частиц и атомного ядра рассматривается как ведущее направление в советских научно-исследовательских программах.
Большая программа реконструкции намечена сейчас и в Серпухове. Рабочие площадки Института физики высоких энергий станут настоящим "комбинатом" по раскрытию тайн микромира. Главные усилия будут приложены к сооружению нового ускорителя примерно на 1200 ГзВ. Длина кольцевого туннеля достигнет 20 километров! Рядом с этим гигантом расположатся накопительные кольца и другие ускорительные установки, где будут разгоняться до фантастических скоростей не только протоны, но и электроны. Предусмотрены специальные установки для получения интенсивных пучков античастиц, прежде всего антипротонов и позитронов. Таким образом, физики получат уникальные возможности решения множества задач. Исследования будут вестись гораздо более широким фронтом, чем в любом ныне действующем центре, - ведь у экспериментаторов появятся пучки самых различных частиц при различных энергиях, причем в невиданно широком диапазоне. В проекте заложены и превосходные возможности развития. Для всех крупнейших ускорителей Серпуховского комплекса предусмотрен последующий переход к сверхсильным магнитам, которые позволят значительно увеличить энергии частиц.
Интересную идею проводят в жизнь ученые Объединенного института ядерных исследований в Дубне. По инициативе директора Лаборатории высоких энергий, члена-корреспондента АН СССР А. Балдина старый Дубненский синхрофазотрон "переведен на новую работу" - теперь он ускоряет не отдельные частицы, а целые атомные ядра.
Все эти достижения превосходны. Однако дальнейшее движение вперед потребует новых особых усилий. К сожалению, накопительные кольца - не панацея от всех бед. На встречных пучках нельзя поставить многие необходимые эксперименты, да и точность доступных измерений в этом случае значительно ниже, чем на обычной установке с пучком, падающим на неподвижную мишень из конденсированного вещества. Поэтому физики не "почили на лаврах". Они упорно ищут новые идеи получения чрезвычайно высоких энергий при сравнительно небольших размерах и весе установки. Уже много лет в Дубне разрабатывается оригинальный метод коллективного ускорения. Высокая эффективность достигается здесь за счет того, что разгоняется, скажем, не чистый пучок протонов, а целый коллектив частиц - своеобразный комок плазмы с большим суммарным зарядом. В случае успеха этот метод откроет исключительные перспективы.
Но не следует, конечно, забывать, что сама разработка новых принципов ускорения тоже требует значительных средств. Это показала и история внедрения сверхпроводящих магнитных систем, и исследования по коллективным методам. Реальные затраты на осуществление крупных высокоэнергетических программ достигают астрономических цифр. Бюджет ЦЕРНа на 1976 год составлял около 663 миллионов швейцарских франков. Европейский центр занимает территорию свыше 550 гектаров по обе стороны франко-швейцарской границы. Под площадку Национальной ускорительной лаборатории в Батавии было отведено 2750 гектаров, и американцы за одну только электроэнергию платят несколько миллионов долларов в год!
Все эти затраты на штурм микромира наводят на разнообразные размышления. Почему общество столь щедро на организацию исследований в области физики высоких энергий? Такой вопрос нередко возникает и у ученых, и у людей, далеких от науки. Подробное обсуждение данной проблемы не входит в наши цели. Отметим только один общий момент. Щедрость - дело тоже относительное. Разумеется, сумма, которую конгресс США выделил на строительство ускорителя в Батавии, - 250 миллионов долларов - производит неотразимое впечатление. Но ведь, скажем, одна подводная суперлодка "Огайо" с ядерными "трайдентами" на борту стоит "всего-навсего" один миллиард долларов...
Проблема конкуренции физики высоких энергий с другими разделами физики и с целыми областями науки - тема очень глубокая и интересная. Государственный бюджет не резиновый, и каждый лишний миллион на ускорители заставляет притормаживать другие важные и дорогостоящие исследования. По этому поводу высказывались многие крупнейшие ученые, и появились даже некие крайние позиции: развивать физику высоких энергий, что называется, по потребности и предельно мощными темпами или, наоборот, притормозить ее развитие ради более активного финансирования других жизненно важных работ, например, термоядерной энергетики, медико-биологических исследований, повсеместного внедрения лазерной технологии и тому подобное.
Сейчас трудно сказать, кто первым начал отстаивать такие крайние позиции, но обе они не кажутся приемлемыми.
Развитие физики высоких энергий в ущерб другим областям таит серьезную опасность, и едва ли не в первую очередь для нее же самой. Дело в том, что успешная работа современных ускорителей обеспечивается огромной совокупностью самых современных достижений в десятках разделов науки и техники. Гигантские камеры для регистрации событий - подлинное чудо физико-химической и инженерной мысли. А куда деваться сейчас без электроники, без "думающих" машин? Подобно тому, как растение увядает без питательной, непрерывно обновляемой среды, физика высоких энергий не способна развиваться в области экспериментальных средств без интенсивного развития всей науки.
Противоположная крайность приводит к не меньшему застою. Процессы с элементарными частицами при высоких энергиях крайне далеки от человеческой практики, считают сторонники такой точки зрения. Другое дело атомно-молекулярный и даже ядерный уровень. Прорыв к ним обеспечил фантастический прогресс в понимании структуры обычного вещества, позволил добыть новые виды энергии. Теперь же, когда исследования ушли в область редко осуществляющихся условий, а вещество, разогретое до тысяч триллионов градусов (соответствует энергиям батавского пучка), представляет собой редкое явление - нет смысла слишком спешить, поскольку "не типичное - не используешь". Не лучше ли обратить, если не все, то хотя бы значительную часть средств, которые затрачиваются на ускорители, на другие важные и благородные задачи, прежде всего на ускоренную разработку термоядерных станций и борьбу с самыми опасными заболеваниями?
По поводу опасности пессимистических прогнозов физики любят приводить такой факт: сам Э. Резерфорд, умерший за год до расщепления атомного ядра и за пять лет до пуска первого ядерного реактора, до конца своих дней был уверен, что ядерная физика не несет никаких серьезных прикладных возможностей.
Это вполне справедливое напоминание. Не исключено, что и физика элементарных частиц откроет перед человечеством фантастические источники энергии, причем не в столь уж и отдаленные сроки. Но это может остаться и приятной мечтой. А вот в другом направлении уже есть великолепные достижения. В деле концентрации энергии современные ускорители не знают себе равных, и именно здесь четко вырисовываются контуры новой революции в прикладной науке и в технологии.
В пучке высокоэнергетических частиц ускоритель способен создать такую концентрацию энергии, которую в принципе нельзя получить никаким иным методом. Уже сейчас протонные пучки успешно выжигают внутренние раковые опухоли без малейшего повреждения не только кожного покрова, но и окружающих опухоль здоровых тканей. Точная фокусировка при больших мощностях осуществляется благодаря замечательным свойствам сильных взаимодействий. Мощные электронные ускорители позволяют "зажигать" плазменные реакторы. Ускорители становятся привычным элементом не только онкологических центров и термоядерных установок - они приходят и в промышленность. Разработка дубненскими физиками метода изготовления сверхтонких фильтров для пищевой и химической промышленности и с помощью интенсивных ионных пучков позволила добиться резкого повышения качества ряда продуктов и принесла государству многомиллионную экономию. В общем, дискуссии идут, а частицы высоких энергий работают...
Кто-то подсчитал, что все затраты на фундаментальную науку от "царя Гороха" до наших дней с лихвой окупаются всего лишь недельным выпуском промышленной продукции во всем мире. Жаль, что очень трудно (я думаю, вообще невозможно!) учесть, какой процент мировой продукции целиком обязан достижениям фундаментальной науки...
И, наконец, обратимся к внутренним разногласиям в физике высоких энергий. В сущности, это не столько разногласия, сколько деловая дискуссия о путях развития. Резкий взлет ускорительной техники, бесспорно, послужил сигналом к некоторому скепсису в отношении космических лучей. Сравнительно низкая точность результатов и сама форма работы "сидеть у моря (чаще в горах!) и ждать погоды" стали слишком сильным испытанием терпения физиков. Но прошло время, и стало ясно, что "космики" действительно предсказывали едва ли не все важнейшие результаты на основе своих скудных данных.
Например, в настоящее время они указывают на проявление каких-то новых эффектов в районе 1014-1015 электрон-вольт, и это служит дополнительным стимулом к быстрейшему созданию накопительных колец для предварительной проверки их данных. Исследования космических лучей вступили сейчас в своеобразную фазу индустриализации - на высокогорье разворачиваются огромные площадки счетчиков (на советской станции "Памир" - 1000 квадратных метров!), аппаратура для регистрации энергичных космических частиц устанавливается на спутниках, запускаются целые научные станции... Недалек тот день, когда "космики" осуществят заветную мечту - установят стационарные наборы счетчиков на поверхности Луны.
В целом проблема внутренней и внешней конкуренции физики высоких энергий сама является предметом научных изысканий. Поэтому легко разобраться только с крайними, а потому всегда уязвимыми точками зрения. Большинство же предложений вблизи "золотой середины" требует тщательного изучения специалистами по планированию.
Сложная развивающаяся наука в сложном развивающемся мире...
САМАЯ БОЛЬШАЯ МЕЧТА
Обсуждая множество серьезных и сверхсерьезных проблем, мы как-то позабыли о нашем прекрасном аппарате - машине времени. Негоже, чтобы такая полезная конструкция ржавела в углу, когда речь идет о более или менее далеких перспективах. Полеты в будущее потому и стали излюбленной темой фантастов, что прогнозы волнуют всех, и в то же время дело это сравнительно безобидное. Особенно если предсказываются вещи радостные и легко понятные.
Предсказатели-пессимисты должны всегда помнить о судьбе Кассандры, дочери троянского царя Приама. Ее сочли ненормальной, а между тем она выдала вполне оправдавшийся прогноз о скорой гибели Трои. Горькая судьба молодой царевны стала предметом многих споров. Как понимать случившееся элементарная несправедливость или воздаяние по заслугам за бессмысленное карканье? Впрочем, пессимистам всегда трудно добиться признания. Если их пророчества не оправдываются, то они попадают в неудобное положение "врагов прогресса". Если, наоборот, сбываются, то обычно и похвалить бывает некому на фоне беды их идеи выглядят весьма сомнительной заслугой.
С оптимистами все не так. Предсказав нечто пригожее, они имеют огромные шансы на признательность и современников и потомков. Если же предсказание не оправдывается - опять-таки не до ругани, люди, дескать, хорошего хотели, а теперь надо спасать положение, а не вспоминать об иллюзиях...