Бег за бесконечностью

Глава шестая, полностью направленная в будущее

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 стоя-ли 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 то, 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 ГэВ, 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 ГэВ. 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…

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…

Вероятно, все мы просто обречены на оптимизм — мир устроен не так уж безупречно, чтобы баловаться более мрачными вариантами. Другое дело, формы проявления наших прекрасных надежд…

Размышления над всем этим очень полезны, когда пытаешься представить себе некоторые перспективы эксперимента и теории в физике высоких энергий. Включим нашу машину времени и постараемся попасть к тому моменту, когда произойдет покорение границы спектра космических лучей (10²¹ электрон-вольт) ускорительной техникой. Заранее вычислить этот замечательный день, конечно, трудно. Но если отталкиваться от известных сейчас средних темпов роста энергии — примерно десятикратного увеличения за десятилетие, — то можно получить вполне определенный ответ: ждать придется целый век.

Итак, 70-е годы XXI века. Мы выскакиваем из своей машины и сквозь огромную толпу пробираемся к месту, указанному на пригласительном билете.

— Проходите, проходите к телескопу, уважаемые предшественники, — торопит нас распорядитель торжественной церемонии.

— А при чем тут телескоп? — удивляемся мы.

— То есть как это при чем телескоп? — в свою очередь, поражается нашей неосведомленности распорядитель. — Те, кто на ракетах, давно уже улетели…

Странный диалог, не правда ли? Словно бы на разных языках — мы про ускоритель, а он про астрономию. Между тем все очень просто. Прикинув срок запуска грандиозной установки, мы на основе все тех же современных представлений могли бы вычислить и приблизительный размер. И тогда все становится на свои места. Посудите сами — лучший современный синхротрон в Батавии имеет радиус ровно один километр и в принципе (после запланированной к началу 80-х годов замены магнитов) может разгонять протоны до 1000 ГэВ (10¹² эВ). «Супербатавия» 70-х годов XXI века, на открытии которой мы испытали удивление, должна была бы иметь радиус порядка миллиарда километров!

Пусть за счет тех или иных технических усовершенствований этот размер уменьшится в десять, сто, наконец, в тысячу раз, но и в таком случае распорядитель открытия не обойдется без хорошего телескопа и без мощных ракет, чтобы показать людям эту технику. Ситуация явно попахивает «дурной фантастикой» — так и мерещатся старинные проекты телеграфного кабеля Земля — Луна… Где-то мы просчитались!

Конечно, просчитались, и, видимо, не один раз. Если учесть, что выход на 1000 ГэВ произойдет где-то к концу текущего десятилетия, что вполне обосновано существующими проектами, причем практически сразу же будет построено накопительное кольцо, то уже через несколько лет мы сможем исследовать взаимодействия примерно при 2 миллионах гигаэлектрон-вольт. Уже сейчас обсуждаются проекты ускорителей следующего поколения с пучками протонов 10–100 тысяч ГэВ. Ясно, что они будут созданы с учетом лучших технических достижений, прежде всего в области получения сверхсильных магнитных полей в сравнительно компактных установках.

Несмотря на существенные усовершенствования, такой ускоритель окажется, видимо, чрезвычайно дорогостоящим «удовольствием», и его строительство скорее всего будет вестись совместными усилиями Советского Союза, Соединенных Штатов и других высокоразвитых стран. С учетом непременных накопительных колец новое поколение суперсинхротронов обеспечит выход в изучении процессов взаимодействия примерно при 20 миллиардах гигаэлектрон-вольт (порядка 10¹⁹ эВ!). Правда, произойдет это вряд ли раньше начала 90-х годов нашего века.

После этого ожидается серьезный качественный сдвиг в используемых на практике принципах ускорения, скажем, применение коллективных методов ускорения или других не менее эффективных идей. В связи с таким преобразованием есть все основания предполагать, что на рубеже XXI века будут достигнуты заветные 10²¹ электрон-вольт, по крайней мере, в экспериментах на встречных пучках. Прорыв к протонным пучкам такой энергии для постановки «нормальных» опытов на неподвижной мишени, несомненно, потребует смены (и, возможно, не одной!) общей технической вооруженности и изобретения каких-то новых принципов концентрации энергии.

Не исключено, что основная идея ускорения выдержит испытание и в дальнейшем, но не будем забывать, что это лишь одна из наверняка многих возможностей. Как это нередко случается, при покорении очередных грандиозных рубежей наступает момент переоценки ценностей. При высокой степени освоения околоземного космоса и создании научных баз на Луне, которые появятся в ближайшие десятилетия, могут оказаться выгодными методы искусственной концентрации космических лучей с помощью определенных комбинаций магнитных ловушек. Такому способу можно научиться у самой природы, поскольку примерно так и ускоряются потоки космических частиц в межзвездном и межгалактическом пространстве. Разумеется, этот фантастический проект потребует серьезных сдвигов в получении сверхмощных и устойчивых магнитных полей.

Но это лишь одна и, наверное, не самая красивая возможность. Самое впечатляющее открытие в области методов ускорения частиц до супервысоких энергий, конечно же, впереди! И в этом особая притягательная сила науки — ее перспективы всегда намного фантастичней, чем могут представить себе самые глубокие и дальновидные пророки…

Нечто подобное происходит, разумеется, и в оценках будущего теории. Возможно, что известные частицы так и останутся в роли мельчайших структурных элементов мира, обладающих свойствами отдельных, в определенной степени «самостоятельных» объектов. Но это ни в коей мере не будет означать, что познание микромира достигло последней ступени. Напротив, именно теперь мы и сталкиваемся с совершенно новыми представлениями о структуре. На очереди понимание закономерностей эволюции частиц в области сильного взаимодействия, постижение картины формирования адронов.

Возникновение и постепенная разработка такой точки зрения — факт совершенно неожиданный для традиционных атомистических представлений, для которых более сложные объекты всегда сводились к конструкции из некоторого числа «простейших кирпичиков». Развивающиеся объекты, структура которых предопределяет конкретную программу их поведения, всегда были в некоторой степени чужды физике.

Эта традиция имеет довольно глубокие корни. Уже в фундамент механики Галилея и Ньютона, от которой «и есть-пошла» современная физика, были заложены представления о мире как о сравнительно простой машине, в основе устройства и работы которой лежали один-два фундаментальных силовых закона. В сущности, классики ни в чем не виноваты. Они вырабатывали свои идеи, отражая окружавший их мир, где венцом технической мысли и впрямь были простые механические устройства. И их величайшая заслуга в том, что они преодолели тяжкие путы средневековой концепции, трактовавшей мир как овеществленный «промысел божий» и считавшей собственно научный способ постижения закономерностей природы отнюдь не обязательным.

Но за истекшие три столетия снова многое изменилось. Механистические представления о всеобщности простых машин оказались бессильными перед целым рядом замечательных открытий. И первый феноменально мощный удар по ним нанесла биология, а конкретно — дарвиновская эволюционная теория. Наблюдаемое многообразие живого мира не есть «богом данное членение тварей», а представляет собой продукт длительного развития, восхождения по десяткам тысяч ступеней от простого к сложному, заявил великий английский ученый. И даже человек не является раз и навсегда установленным «венцом творения и носителем частицы духа господня» — он лишь высший этап эволюции земных существ.

Дарвиновские идеи были встречены не только злобными нападками церковников, но и резкой критикой ряда ученых. Ведь развитие было не так-то просто совместить с представлением о неизменной, раз и навсегда заведенной машине. Представьте себе ситуацию, когда сотни и сотни врачей и физиологов познали внутреннее устройство человеческого тела и пришли к выводу, что это какая-то не слишком мудрёная комбинация из трубок с жидкостью (кровеносной и лимфатической систем) и мышц, способных к механическому действию. Конечно, большинство из них четко видели, что «помысел господень» тут ни при чем, но законы эволюции были слишком трудны для такого уровня.

Потребовались величайшие усилия — открытие законов наследственности, появление генетики, прорыв к молекулярной структуре клетки, чтобы осознать, что, если аналогия с машиной и имеет какой-либо смысл, то речь должна идти о фантастически сложной, саморазвивающейся машине. Чтобы увидеть первые образцы, точнее далекие прообразы технических устройств высокой степени сложности, пришлось ждать до совсем недавних времен, когда родилась кибернетика и общая теория автоматов.

Сейчас мы понимаем, что гигантские электронные машины в принципе можно запрограммировать на саморазвитие. Достаточно сложная кибернетическая машина способна проектировать и с помощью автоматических устройств воспроизводить себе подобных. При дальнейшем усовершенствовании она сможет улучшить программы своих творений, то есть изготовлять нечто более сложное, чем она сама. Так постепенно сформировался технический эквивалент эволюционизирующих биологических систем, но не следует, конечно, забывать, что пока это лишь эквивалент на уровне идей — реальные возможности действующих «электронных мозгов» еще весьма ограничены, пока просто не соизмеримы с тем, чего добилась природа за миллионы и миллионы лет биологической эволюции.

Собственно, в физику идеи о развивающихся объектах проникли сравнительно недавно, хотя и чрезвычайно впечатляющим путем. В 1922 году замечательный советский математик А. Фридман на основе эйнштейновской теории тяготения показал, что вселенная могла развиваться из некоторого весьма экзотического состояния, существовавшего порядка 10 миллиардов лет назад. Согласно его идеям весь гигантский звездный мир, наблюдаемый невооруженным глазом и самыми мощными телескопами вплоть до фантастических расстояний 10²⁸ сантиметров, прошел множество стадий, причем в очень ранние моменты плотность энергии была чрезвычайно высока. Тогда вселенная ни в малейшей степени не напоминала ту картину, которую мы видим сейчас. Представьте себе, что все галактики спрессованы в комок вещества со средней плотностью, как у атомного ядра. А в еще более ранние моменты плотность намного превышала ядерную, адроны были буквально вжаты друг в друга. Что это было: своеобразное партонное вещество или нечто до сих пор невообразимое?..

Так или иначе, но, судя по хорошо оправдавшей себя фридмановской модели, вселенная проходила через такие состояния, когда не могло существовать обычных элементарных частиц, во всяком случае, они были погружены в среду такой плотности, которая исключала сколь-нибудь макроскопический свободный пробег. Что же предопределило появление наблюдаемого адронного многообразия и где была записана программа формирования сложных микрообъектов?

Так смыкаются, казалось бы, предельно далекие друг от друга проблемы самого большого и самого малого, возникают внешне фантастические взаимосвязи между историей и структурой вселенной в целом и законами поведения частиц при высоких энергиях.

Вот, скажем, такая любопытная история. Предположим, что нам удалось устроить мишень из макроскопического кусочка вещества ядерной плотности и сфокусировать на ней вполне реалистический по современным понятиям протонный пучок из 10¹³ частиц с энергией 1000 ГэВ. При этом в мишени выделилась бы довольно приличная энергия, примерно 10¹³ эрг, то есть того же порядка, что и при взрыве килограмма тринитротолуола. Это, конечно, настоящий взрыв, но ведь для действия взрыва основную роль играет не столько энергия, сколько его мощность, то есть энерговыделение в единицу времени. Теперь-то мы и придем к фантастическим числам — ведь адроны теряют энергию в ядерном веществе чрезвычайно быстро, примерно за 10^-23 секунды. Поэтому мощность полученного взрыва окажется эквивалентной той, которая наблюдалась бы при одновременном взрыве приблизительно 100 миллионов мегатонных водородных бомб, то есть около 10³⁶ эрг в секунду! Повышая число частиц в импульсе всего в десять раз, а энергию ускорителя — в тысячу раз (а это, как говорится, не за горами!), мы столкнемся примерно с такими же мощными взрывами, какие происходят при вспышках Сверхновых звезд (10³⁹–10⁴¹ эрг в секунду). Не хватает совсем немногого: получить в лабораторных условиях комочек ядерного вещества макроскопических размеров, хотя бы порядка пространственного разброса сфокусированного протонного пучка…

Впрочем, с впечатляющими цифрами можно встретиться и при рассмотрении элементарных актов, например, для процесса столкновения тяжелых атомных ядер типа урана с огромными, пока еще не достижимыми энергиями.

Два разных, на первый взгляд бесконечно далеких мира: адроны и звезды… Одно из самых последних завоеваний человеческого разума и одно из первых наблюдений, заставивших согласно красивой легенде впервые распрямиться наших еще не шибко образованных, но уже довольно любопытных пращуров. Но наш смелый век стал стремительно наводить мосты между этими мирами.

Уже в 1932 году Л. Ландау высказал гипотезу о существовании гигантских атомных ядер — нейтронных звезд. Под действием мощных гравитационных сил особо массивные звезды должны сжиматься, и давление в звездных недрах начинает буквально сминать атомы, вдавливая электроны в ядра. Когда большинство электронов провзаимодействует с ядерными протонами, последние превратятся в нейтроны за счет реакции обратного бета-распада с испусканием интенсивного нейтринного излучения. В результате постепенно сформируется своеобразное макроскопическое атомное ядро — нейтронная звезда.

Долгое время идею Л. Ландау рассматривали как красивую гипотезу, но вот в 1967 году были обнаружены знаменитые пульсары, космические объекты небольшого размера с регулярным и интенсивным излучением. Вскоре теоретики поняли, что единственный способ учесть малый период пульсаций излучения для объектов с характерными звездными массами — предположить, что это и есть невероятно концентрированные нейтронные звезды…

Связи, связи, связи… Наверное, самое главное дело науки — поиск и объяснение связей между близкими и далекими явлениями. Адроны и гравитация — силы, отстоящие друг от друга примерно на 40 порядков десятичной шкалы (сорок!!!) — демонстрируют необходимость в какой-то единой точке зрения. Вы только что видели, что современная теория тяготения в таких принципиально важных пунктах, как строение сверхплотных звезд и ранние этапы развития вселенной, требует привлечения конкретных представлений физики сильных взаимодействий.

Еще более наглядные мосты перебрасываются сейчас между сильными и электромагнитными взаимодействиями. При учете интенсивного рождения адронов обычная электродинамика становится существенно незамкнутой в области высоких энергий — ее следует дополнять законами сильных взаимодействий.

Нечто похожее происходит и с теорией слабых взаимодействий. Во-первых, она устроена гораздо менее надежно, чем электродинамика. И во-вторых, рождение адронов в экспериментах по рассеянию нейтрино (это единственная частица, обладающая только слабым взаимодействием!) показывает все ту же незамкнутость. Похоже, что адроны решили не только продемонстрировать физикам новые варианты устройства собственного мира, но и стали решительно вмешиваться во «внутренние дела» других фундаментальных взаимодействий.

Академик М. Марков в своем выступлении на одном из международных семинаров по физике высоких энергий провел такую любопытную аналогию. А что, если наше представление о четырех силах (сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных), которые пока рассматриваются как одинаково фундаментальные, — нечто похожее на древнее членение мира на четыре основные «стихии»: землю, воду, воздух и огонь? Не лежит ли в основе правильных представлений единое рассмотрение всех известных сил?

Построение единой теории, вероятно, и представляет самую большую мечту физиков. Осуществится ли эта мечта — покажет будущее. До сих пор науке известны два великолепных примера построения единых теорий и, конечно же, множество других, менее удачных попыток. Эти примеры таковы.

Г. Галилей и И. Ньютон впервые проложили путь к единой трактовке земных и небесных явлений. То, что мушкетные пули падают с башни благодаря тем же силам, которые связывают Землю и другие планеты с Солнцем, было потрясающим открытием, которое позволило создать первую научную картину мира.

Второй пример относится к работам М. Фарадея и Дж. Максвелла, построивших единую теорию электрических и магнитных явлений, которые примерно до середины прошлого века рассматривались как различные эффекты.

После этого успеха предпринимались многочисленные попытки объединить «попарно» те или иные типы взаимодействий. Большую часть своей жизни потратил А. Эйнштейн на единую формулировку теории электромагнитных и гравитационных явлений. Большой путь по объединению теории сильных и слабых процессов проделал В. Гейзенберг.

Эти исследования принесли много интересного, но не достигли цели. Мы не станем проводить подробный анализ случившегося — это, пожалуй, отдельная и весьма глубокая тема. Однако можно обратить внимание на одно наглядное обстоятельство: все удачные попытки классиков прошлого отличает важнейшая особенность — они основаны не на общих соображениях о единстве природы, а на анализе и обобщении экспериментальных закономерностей. Поэтому именно огромные успехи адронной физики, опытное доказательство вмешательства адронных процессов в поведение частиц, которые не должны непосредственно участвовать в сильных взаимодействиях, длительное время давали основание для серьезного оптимизма.

Если бы адроны всегда выглядели как сильно взаимодействующие рыхлые объекты конечного размера, то можно было бы надеяться, что именно они определят характер сил между любыми частицами на сколь угодно малых расстояниях. В этом случае основные трудности моделей слабых и электромагнитных взаимодействий были бы, по-видимому, устранены.

Но, как вы помните, оказалось, что и сами адроны включают в себя бесструктурные составляющие — кварки-партоны, то есть на очень малых расстояниях ведут себя подобно тем же лептонам. Взаимодействие кварков-партонов с уменьшением расстояний ослабевает — таковы свойства глюонов, переносчиков взаимодействия между кварками.

Ослабление сильных взаимодействий на малых расстояниях и появление точечных составляющих адронов приводят к множеству интересных следствий. Наиболее важное из них то, что теперь уже слабые и электромагнитные взаимодействия становятся на малых расстояниях очень велики — нет силы, которая устранила бы уже известные трудности традиционных моделей.

Однако физики нашли выход и в этой сложной ситуации. Еще в 1967 году американский теоретик С. Вайнберг заметил, что электродинамика и теория слабых взаимодействий, рассмотренные по отдельности, могут сталкиваться с совершенно непреодолимыми трудностями, но, объединяя эти модели, можно добиться удивительных успехов. Оказывается, свойства слабых и электромагнитных сил как бы взаимно устраняют трудности теории при переходе к очень малым расстояниям. В концепции С. Вайнберга силы, которые обычно связывают с особыми слабыми взаимодействиями, являются, по сути дела, одним из проявлений электромагнетизма. Это проявление не могло быть замечено классической физикой, поскольку речь идет о чрезвычайно малых расстояниях, порядка 10^-17 сантиметра!

Наряду с фотоном взаимодействие теперь должны осуществлять уже знакомые нам заряженные дубль-вэ и нейтральные зэт-мезоны. Но если фотон способен действовать на сколь угодно больших расстояниях, то эти мезоны действуют только на малых участках пространства. Очень важно, что все эти частицы оказываются проявлением некоторого калибровочного поля, и обусловленные ими силы вполне удовлетворительно ведут себя на очень малых расстояниях.

Таким образом, основные надежды современной теории связаны именно с программой объединения электромагнитных и слабых взаимодействий с последующим включением в эту схему кварков и глюонов. В принципе эта программа позволяет построить непротиворечивую картину с оригинальным, но вполне удовлетворительным поведением сил на малых расстояниях.

Данная точка зрения кажется привлекательной, хотя бы потому, что в ней все действительно элементарные частицы выступают, в определенном смысле, на равной основе. Наблюдаемые адроны также равноправны между собой, но ни в коем случае не являются элементарными объектами и им не следует сопоставлять особые поля.

Как видите, в этой концепции отразились все лучшие достижения более ранних и, конечно, менее совершенных моделей. Даже острая критика теории поля, которую провели сторонники «ядерной демократии», не прошла даром!

Если окинуть теперь общим взглядом развитие физики элементарных частиц, то можно, следуя методу историков или геологов, условно выделить четыре эры, или эпохи.

Физика подошла к открытию элементарных частиц с вполне выраженной атомистической концепцией. «Атомная эра» с принципиальной точки зрения окончилась с открытием электрона, различных атомных и ядерных излучений и самих атомных ядер. Эти открытия однозначно свидетельствовали о том, что атомы представляют собой сложные системы, а роли элементарных объектов перешли к электрону, фотону и протону.

В этот же период наступает новая «электронно-радиационная эра». Наиболее фундаментальной проблемой становится расшифровка природы электронов, естественной радиоактивности, атомных ядер.

Разумеется, не может идти речь о каких-то абсолютных границах. Между различными эрами существуют изрядные пересечения, когда одна лишь формируется, а другая еще не завершилась полностью. В принципе уже в самом начале века физики знали, что атомы состоят из электронов и каких-то положительно заряженных объектов, но для построения удовлетворительной модели атома пришлось проделать четвертьвековую экспериментальную и теоретическую работу, наконец, создать квантовую механику!

Основные принципы «электронно-радиационной эры» были созданы в конце 20-х — начале 30-х годов, когда квантовая механика была увязана с теорией электромагнетизма и возникла квантовая электродинамика — теория взаимодействия фотонов с электрическими зарядами. С другой стороны, была понята природа естественной радиоактивности. В этот период были открыты два новых типа взаимодействия — сильное и слабое, — которые еще нуждались в подробном и тщательном изучении.

Хотя хорошая версия квантовой электродинамики, позволяющая теоретически рассчитывать все эффекты взаимодействия на не слишком малых расстояниях, была построена только в конце 40-х годов, предвоенное десятилетие определенно характеризуется наступлением новой «ядерно-адронной эры». Собственно, это десятилетие стало преимущественно «ядерным»: были открыты практически все основные свойства атомных ядер, и уже в 1942 году заработал первый ядерный реактор! По-видимому, «ядерно-адронная эра» продолжалась примерно до середины 60-х годов и в послевоенные два десятилетия была преимущественно «адронной». К этому времени зародились и окрепли представления о сложной природе адронов, была отчасти исследована их структура и построены первые варианты кварковой модели.

Конечно, в физике и до сих пор не существует полностью удовлетворительной теории адронов. Нельзя исключить даже того, что для последовательного описания структуры адронов потребуется серьезная перестройка наших представлений. Стоит, однако, отметить одну интересную историко-научную параллель — описание новых структур часто приводило к коренной перестройке физических взглядов. Так, построение модели устройства солнечной системы привело И. Ньютона к новой формулировке всей механики. Аналогичные задачи для атомов и атомных ядер потребовали построения квантовой механики. С чем же придется нам столкнуться на этот раз, выясняя устройство адронов?

С адронами далеко еще не все ясно, но последнее десятилетие определенно можно считать началом «кварк-лептонной эры». Проблема взаимодействия бесструктурных объектов явно выходит на передний план. Тут и новейшие достижения нейтринной физики, позволившие перейти к исследованию слабых взаимодействий при высоких энергиях, и важная задача описания межкварковых сил…

Мы с вами уже в конце 4-й главы обсуждали гипотетическую таблицу истинно элементарных частиц — среди них есть и открытые непосредственно, и замеченные внутри адронов, и те, в существование которых просто верят. Так вот, «кварк-лептонная эра» и связана с попытками перейти к тщательному анализу именно этой необычной таблицы.

Однако новый этап постижения микромира имеет и свои особенности. Например, адронные процессы «множественного рождения» по-прежнему представляют принципиальный интерес. Ведь своеобразие кварков и глюонов в гипотетической таблице частиц может быть выяснено только на основе экспериментов с участием адронов. Почему кварки, обладающие вроде бы похожими свойствами сил, на очень малых расстояниях способны формировать адроны, а лептоны не способны к этому? Очевидно, что элементарная бесструктурная частица (кварк), будучи сама элементом структуры адрона, обладает особыми свойствами, делающими ее в принципе непохожими на другие бесструктурные частицы, например, на лептоны. Хорошо, но… какие это свойства?

Вопросов, как обычно, много, и все они интересны. Чем глубже мы уходим в микромир, тем интересней вопросы и удивительней ответы…

И наконец, последний вопрос: что нас ожидает впереди, какова очередная «эра»?

Пока практически в стороне остаются гравитационные взаимодействия. Возможно ли, следовательно, наступление «гравитационной эры»?

Это воистину жгучий вопрос. Силы тяготения очень малы по сравнению с другими, но зато они универсальны, действуют абсолютно на любые частицы и не подвержены какой-либо экранировке. Именно благодаря такой универсальности А. Эйнштейн и построил теорию тяготения, основанную на идее, что гравитация представляет собой свойство пространства-времени, а не отдельных видов материи.

Несмотря на всю привлекательность, эта теория оставалась все время в стороне от физики микромира, и не только из-за слабости гравитационного взаимодействия элементарных частиц, но и потому, что она так и осталась классической теорией.

В сущности, гравитация еще не подвергалась экспериментальному исследованию в микромире. Нам известно, как притягиваются друг к другу массивные макроскопические тела, скажем, планеты. Известно, что элементарные частицы также притягиваются к большим телам, например, путь фотона, пришедшего от далекой звезды, искривляется в поле тяготения Солнца.

Однако никто не знает, как взаимодействовали бы между собой за счет сил тяготения две элементарные частицы. К сожалению, природа не подарила нам такой элементарной частицы, которая была бы способна только к гравитационным взаимодействиям, подобно тому, как нейтрино участвует только в слабых взаимодействиях. Из-за этой несправедливости мы не можем пока выделить гравитационные процессы микромира в чистом виде. Любые другие взаимодействия просто «забивают» гравитацию. Разве что на фантастически малых расстояниях — по современным оценкам порядка 10^-33 сантиметра — тяготение должно превзойти все остальные силы…

Должно, если допустить, что оно действует между частицами так же, как и между макроскопическими объектами. В таком случае мы неявно предполагаем, что само пространство и время в очень малых объемах такое же, как и в очень больших. Но вот ведь в чем проблема: а существуют ли сами пространство и время в столь малых областях, могут ли они восприниматься нами так, как пространство нашей комнаты или время, отсчитанное по будильнику?

А вдруг задолго до наступления «гравитационной эры» откажет один из самых фундаментальных эталонов: модель пространства-времени? Это необычная, но интригующая возможность — ведь пространство-время, можно сказать, универсальная арена, на которой происходят все физические явления.

Идеи об изменении представлений о пространстве в очень малых областях развивались уже несколько десятилетий. Они возникли в определенной степени как реакция физиков на неудовлетворительное поведение электромагнитных сил на очень малых расстояниях. А могут ли частицы вообще подходить друг к другу сколь угодно близко? Не будут ли они всегда разделены каким-то, пусть очень малым, но конечным интервалом? Такие вопросы ставили перед собой теоретики еще в 30-х годах.

Если никакие частицы не способны приближаться друг к другу вплотную, то это положение проще всего отнести за счет свойств самого пространства. Оно может, скажем, не быть непрерывным, а состоять из отдельных квантов — протяженностей конечных размеров. А частицы могут находиться на расстояниях, пропорциональных величине этого кванта, умноженной на целое число. Таким образом, появляется как бы универсальная линейка, которая должна целое число раз укладываться на любом отрезке физического пространства. Размер кванта пространства называется фундаментальной длиной.

Постепенно модели квантованного пространства приобретали все более четкую математическую структуру и физическую интерпретацию. Благодаря глубокой идее Г. Снайдера, связавшего свойства квантованного пространства-времени с поведением импульсов частиц, и дальнейшему развитию и расширению этой идеи в работах советских теоретиков Ю. Гольфанда, И. Тамма, В. Кадышевского возник многообещающий подход к теории взаимодействия частиц в квантованном пространстве.

В настоящее время эта теория наиболее активно развивается в Дубне группой профессора В. Кадышевского. Возможно, самым впечатляющим результатом этого подхода оказалось моделирование партонного эффекта. На малых расстояниях между частицами, когда начинает чувствоваться фундаментальная длина, рассеяние выглядит так, как если бы в нем принимали участие точечные партоны.

Так что вероятней всего теория квантованного пространства может не хуже справиться с проблемой малых расстояний, чем концепция калибровочных полей.

Если окажется, что силы, возникающие при обмене глюонами, фотонами, а также дубль-вэ- и зэт-мезонами, то есть в любых известных взаимодействиях, ведут себя совершенно одинаково на очень малых расстояниях, то этот факт скорее, всего и будет означать появление новых универсальных свойств пространства в малом.

Иными словами, само развитие теории поля, которая справляется со многими трудностями, может привести к новой модели пространства. Однако это произойдет только при переходе к значительно меньшим расстояниям, чем мы изучаем сегодня — не более 10^-20 сантиметра.

Не исключена и более радикальная точка зрения, что фундаментальная длина составляет порядка 10^-17 сантиметра, и теория слабых взаимодействий вообще не потребует введения особых квантов-переносчиков (дубль-вэ- и зэт-мезонов). Эта гипотеза может быть проверена в не столь уж и далеком будущем, сразу после запуска накопительных колец на суперсинхротронах Батавии и ЦЕРНа.

Итак, вполне вероятно, что вместо истинно элементарных частиц, связанных необычными силами, Природа предложит нам более или менее привычные силы, но в совершенно необычном пространстве. А может быть, появится какой-то новый третий путь, который и приведет к цели.

Наступит ли «гравитационная эра»? Или «эра квантованного пространства»? Сможем ли мы достичь в ближайшее время единой трактовки кварков и лептонов? Будут ли наконец открыты сверхтяжелые переносчики слабых взаимодействий?

Ответы на эти и многие другие вопросы принадлежат будущему. Прекрасному и волнующему будущему науки, которое начинается сегодня!