Охота за кварками

В 1982 году два шведских физика из Королевского технологического института в Стокгольме — С. Фредриксон и М. Яндель — объявили об открытии ими новой формы вещества. Они назвали его «демоническим».

Уже привыкли к мысли о том, что протоны и нейтроны — каждый состоит из трех кварков. А вот в «демоническом» дейтроне (изотоп водорода, в ядре которого сошлись протон и нейтрон) шесть кварков соединены уже не в две группы по три, а в три по два!

Такая диковинная комбинация кварков неустойчива и может проявить себя многими способами. «Демоническую» материю исследователи разыскивают среди ядерных осколков, которые образуются в космических лучах и на ускорителях.

Открытие шведов симптоматично. Во-первых, речь идет о кварках, этих возмутителях спокойствия в ядерной физике.

Во-вторых, вновь — в который раз! — ломаются устоявшиеся представления.

В-третьих, открытие это сделано в тиши кабинета, среди книжных полок, набитых толстенными монографиями и солидными физическими журналами. Словом, открытие принадлежит физикам-теоретикам, людям, которых кое-кто считает среди ученых наиболее одаренными воображением и другими талантами.

И наконец, в-четвертых (и это для нас самое главное), очень показателен выбранный для вещества эпитет — «демоническое»!

Фантастический мир, который постепенно открывается ученым в глубинах атома, и будет основным «действующим лицом» этой главы.

Поди туда — не знаю куда

В одном шутливом перечне типовых экзаменационных вопросов, составленных якобы для аспирантов-физиков, есть и такая каверза: «Перечислите все до сих пор не открытые элементарные частицы и укажите причины, по которым они до сих пор не обнаружены». Это розыгрыш.

А вот серьезное и авторитетное высказывание, пожалуй, главного в нашей стране кварколога, крупного специалиста по физике высоких энергий Л. Окуня. Парадокс состоит в том, пишет он в одном из обзоров, что «мы гораздо лучше понимаем, зачем нужны те частицы, которые еще не открыты, чем многие из тех, в существовании которых мы удостоверились экспериментально».

Только непосвященным наука кажется ровной и прямой дорогой, путь по которой освещен фонарями Разума, Логики, Порядка.

В действительности же это сильно пересеченная местность, где двигаться приходится подчас в кромешной тьме, где каждую минуту можно провалиться в колдобину и сломать себе если не шею, то мозги. А точнее, разувериться в разумности и неопровержимости многих, казалось бы, незыблемых представлений и школьных истин, прописей здравого смысла. Впрочем, а как же может быть иначе? Ведь вся наука — езда в незнаемое.

Американский физик-теоретик К. Дарроу очень ехидно и точно определил. «Исследование — это поиски, когда вы не знаете, что найдете; а если вы знаете, значит, уже нашли, и вашу деятельность нельзя назвать исследовательской».

И все же среди других наук физику элементарных частиц (так же как и космологию) отличает одна уникальная особенность. В этой области мы, как правило, не знаем основных законов, управляющих изучаемыми явлениями.

Примеров случайных открытий в физике сколько угодно. Искали, скажем, теоретически предсказанный (лауреатом Нобелевской премии, первым среди жителей Страны восходящего солнца удостоенным этой высокой чести японцем X. Юкавой) пи-мезон (или пион), а открыли (1936) мю-мезон (или мюон), о котором никто и не помышлял.

Пион был открыт только в 1947 году. Он, как известно, нужен для объяснения природы ядерных сил. А вот зачем природе мюон, этот двойник электрона, отличающийся от него только массой (мюон в 207 раз тяжелее электрона), ученые (даже спустя почти полвека после открытия!) и сейчас плохо понимают.

Вообще развитие физики кажется логически последовательным только в ретроспективе. С «послесказаниями» дело обстоит неплохо — хуже с предсказаниями. Тут очередной шаг почти всегда неожидан и очень часто не воспринимается всерьез не только теми, кто смотрит со стороны, но даже теми, кто этот шаг делает.

Физики внимательно читают «Книгу природы», но не знают, где у нее начало, где конец. Листают случайные страницы, к тому же написанные на непонятном языке. Время от времени появляются новые действующие лица (кварки?). Чтобы понять их роль в повествовании, приходится напрягать воображение, логику, интуицию для хотя бы приблизительного понимания авторского замысла.

Изучая микромир, человек все глубже погружается в царство абстракций, которое не может не быть странным и таинственным. Не хватает понятий, ярлыков, да и просто слов для обозначения удивительных объектов и закономерностей.

Самолет плюс бабочка

Ученые, исследующие микромир, как и все люди, делятся на оптимистов и пессимистов. И отношение их к своему делу различно. Послушаем их разговор.

Пессимист. Наука похожа на сражение. Вспомним ее историю: какое это трагическое зрелище! Следы поражений здесь гораздо многочисленней, чем памятники побед. Оглядите разбросанные остовы покинутых систем, учений, где полным-полно теорий, устаревших, как примитивные каменные орудия. А сколько тут вдребезги разбитых истин, пользовавшихся некогда всеобщим признанием. Разве все ото не похоже на то, будто здесь пронесся шквал, ураган разрушительной войны, потрясший страну науки?

Оптимист. Война? Но природа вроде бы вовсе и не скрывает своих тайн. И не оказывает никакого противодействия, не сопротивляется, не хитрит. Она равнодушна, как сфинкс. Кроме того, успехи ученых совершенно необратимы. Контрнаступления не будет. Трепещущая у нас в руках прекрасная пленница ИСТИНА — навсегда останется нашим трофеем.

Пессимист. Пусть так, и все-таки это война, вот только вести ее приходится… вслепую! У нас нет карты территории, которую занимает «противник», поэтому такую большую роль играет догадка, внезапное озарение.

Артиллерия ученых бомбит вражеские эшелоны почти наобум. Ведь ориентирами служат вещи случайные — интуиция, вехи, расставленные научной школой, личными склонностями и пристрастиями ученого, научной модой и многими другими, в сущности, не очень серьезными причинами. И только огромное дымное облако взрыва показывает в случае успеха, что мы чудом нащупали и взорвали склад боеприпасов или военный завод.

Оптимист. Все не так безнадежно, как кажется.

У нас имеются надежные путеводные нити в наших странствиях по микромиру. Оценить увиденное там нам помогут ВЕЛИКИЕ ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ. Даже школьникам известна сила законов сохранения энергии, импульса, электрического заряда… Природа как бы подобна огромной шахматной доске с миллионом фигур. И нам вначале необходимо разобраться хотя бы в правилах этой мудрой игры. Так постепенно мы узнаем законы движения фигур на доске. К примеру, видим, что белопольный слон движется всегда только по белым квадратам. С каждой новой «позицией» мы все более убеждаемся в верности наблюдений. Так можно кое-что узнать об игре, не вдаваясь, однако, в доскональное ее изучение. Так удается выяснить некие инварианты, неизменные качества природы…

Да, в последних словах оптимиста есть большой смысл. В мире элементарных частиц, в этой СТРАНЕ НЕВЕДОМОГО, физики руководствуются соображениями, которые непосвященным, не привычным к подобным манипуляциям могут показаться довольно странными.

Представьте себе громадные весы, на одной чаше которых лошадь и мышь, на другой — корова и собака.

И некоего физика, утверждающего, что лошадь + мышь могут превратиться в корову + собаку, так как, дескать, ни один из восьми законов сохранения веса, количества живности, числа голов, глаз, хвостов, лап (проверьте, пожалуйста, сами), числа млекопитающих и свойств волосатости — не нарушен.

Тот же филин в то же время не примет, однако, такое «равенство»: самолет плюс бабочка равняется вертолету плюс альбатросу. И заметит при этом: хотя сумма веса, количество объектов, число моторов остаются неизменными, но суммарное число крыльев (вертолет!) оказывается разным.

Вот они, законы сохранения, в действии. Но чтобы показать незыблемость и неукоснительность выполнения этих законов, обратимся к конкретному примеру из недавней истории физики высоких энергий.

Частицы со странностью

Открытие было сделано в 1947 году. Регистрируя космические лучи в камере Вильсона, ученые обнаружили следы подозрительных частиц.

Затем два года поиски этих частиц шли безуспешно.

Пришельцы из космоса больше не появлялись. И только после того, как камеру подняли высоко в горы, где интенсивность космических лучей заведомо больше, новые частицы стали регистрировать уже почти ежедневно.

Так (позже перешли к исследованиям на ускорителях) были открыты элементарные частицы нового класса — нейтральный лямбда (Л) — гиперон, К-мезоны, антисигма-минус-гиперон (2~) и другие.

Семейка эта надолго приковала внимание исследователей своими необычными свойствами. Прежде всего подозрительным было время их жизни — 10^-10 секунды.

Неспециалист, узнав про этот факт, может подумать: «Да, действительно, я не могу представить себе, каким образом какой-либо объект может разваливаться так быстро».

Однако загадка была совсем в другом. Не в том, что новые частицы распадались так быстро, а, наоборот, почему это они живут в миллионы миллионов раз больше, чем известные до того частицы той же «весовой категории» (близкие по массе и свойствам).

Для физиков это было так же неожиданно, как если бы они встретили на улице человека, прожившего 100 тысяч лет, или, скажем, слона с крылышками и на курьих ножках.

Другое интригующее свойство новых частиц заключалось в том, что они появлялись только парами (иногда, правда, и в большем количестве). Но никогда не наблюдались поодиночке или в паре с нормальными частицами.

Чувствовалось: эти «новенькие» обладали каким-то особым, дотоле неведомым, свойством. Действовал какой-то новый закон сохранения.

Из обычных коровы и льва (вспомним манипуляции физика в прошлой главке) можно смастерить двуногого льва и шестиногую корову, но никак нельзя их обоих сделать двуногими или двуглавыми — не позволяет закон «сохранения частей тела».

Вот и у новых частиц было нечто — обозначим это «нечто» буквой S, — что обязано было сохраняться.

Рассуждения тут таковы. У исходных обычных частиц S = 0, а у родившейся в результате ядерных метаморфоз пары необычных частиц значения S уже отличаются от нуля: они равны по абсолютной величине, но отличаются знаками. Скажем, у одной частицы S = +1, у другой S = -1, давая в сумме (закон сохранения частей тела!) тот же ноль.

Так к труднопонимаемым терминам — барионный заряд, спины и т. д. добавился еще один. И человек, сформулировав закон сохранения вот этой странности, сделал еще один шаг в область, куда обыденному, привычному, вход настрого запрещен.

С легкой руки М. Гелл-Мана новое свойство элементарных частиц стали называть «странностью» (Strange, здесь и истоки обозначения S). Так слово «странность» перестало обозначать только удивление парадоксами микромира, превратившись в узаконенное физическое понятие. Странность как бы материализовалась!

Открытие это, естественно, нашло отражение и в концепции кварков. Один из знаменитой тройки — А-кварк — пришлось наделить еще и странностью (два других кварка, р и п, физики считают не странными). Поэтому, к примеру, положительно заряженный К-мезон (частица странная) должна состоять из р-кварка и А-антикварка — носителя странности.

И еще одно обстоятельство делает странность поистине странной. Быстро выяснилось, что в отличие от других строгих законов сохранения странность иногда сохраняется, иногда нет.

При сильных (ядерные силы) или электромагнитных взаимодействиях суммарная странность всегда сохраняется. Однако процессы со слабым взаимодействием идут (сюрприз для физиков) с нарушением странности.

Было о чем задуматься ученым мудрецам!

…И посрамил черта

В мифах древних греков говорится о кентавре — получеловеке-полулошади. Таким же кентавром среди элементарных частиц выглядит и кварк. А ведь кварки, как надеялись физики, должны были представлять собой самые простейшие частицы!

Кентавр человеку кажется лошадью, а лошади, должно быть, — человеком. На самом деле он похож (хоть его никто и не видел) и на лошадь, и на человека. Но в любом случае можно сказать, каков он. Эта определенность, как мы убедимся далее, отличает человеческие фантазии от фантазий природы.

Писатели, поэты, просто мечтатели не раз пытались в своих грезах выйти за пределы немного, создать образы немыслимого И на первый взгляд им это удавалось. Вот образчики.

Перо англичанина Д. Биссета сотворило крококота.

(В повести «Забытый день рождения» писатель пишет: «Одна половина у мистера Крококота была котом, другая — крокодилом. Он был единственным в своем роде крококотом и жил очень уединенно в небольшой пещере посредине Африки и ни с кем никогда не виделся».) Это существо, которому славно жить, ибо ему всегда есть кому сказать «спокойной ночи»…

Другой пример — нагромождение несуразиц французского поэта-символиста Ж. Кокто в произведении «Моя неверная подруга»: «…Оставляешь лицо, хоть ты и закрыла его на ключ, как комнату, и здесь от тебя ничего не осталось, лишь кудрявый череп твой. Поцелую тебя, обниму колени, но ты воспаришь, покинешь себя, как привидение поднимается над крышей».

Сколько ни напрягали свое воображение служители муз, на наш взгляд, цели они не достигли. Созданное ими напоминает старое бабушкино одеяло, сметанное из множества пестрых, уже знакомых ее внукам лоскутков.

В этих писательских «кентаврах» сгруппированы, скомбинированы фрагменты легко узнаваемые, встречаемые нами в повседневности в той или иной мере на каждом шагу. Нового качества не получилось! Но то, что было не под силу человеку, с тем шутя справилась непревзойденная выдумщица — природа.

Электрон шарику представляется волной, волне — шариком. Однако на деле он и не волна, и не частица: он электрон! Микросущество, только кажущееся простым.

Электрон, как доказывает физика, представляет собой логический абсурд. Его парадоксы вскрыты квантовой механикой.

Законы квантовой механики необычны. Самый, пожалуй, наглядный пример это исчезновение в микромире понятия «траектория».

Бегущий мимо нас кентавр удивил бы нас, но мы могли бы точно (следы!) указать путь, которым он следовал. С электроном это принципиально сделать нельзя.

По И. Ньютону (классические представления), мир похож на четко вычерченную сеть железных дорог: по ним строго по расписанию мчатся поезда-частицы.

В квантовой же механике эта картина размазывается, расплывается, словно мы рассматриваем ее в плохо сфокусированный бинокль. И частицу теперь можно обнаружить в любой точке любой траектории, соединяющей начало и конец ее пути. Будто бы частица движется сразу по всем траекториям!

Тут человек, будь он электроном, мог бы войти в зал одновременно через две двери и столкнуться лбом с самим собой!

Старые взгляды рушились. Молодежь шутила:. «Даже сама природа не знает пути, по которому полетит электрон…» «Что ж, по четным дням недели будем пользоваться уравнениями Ньютона, а по нечетным — доказывать, что эти уравнения не верны…»

Старшее же поколение физиков восприняло новации трагически. Нидерландский физик X. Лоренц (1853–1928), создатель электронной теории, автор классической монографии «Теория электронов» (1909 год) («В вачале нашего столетия физики-теоретики всего мира с полным правом смотрели на X. Лоренца как на своего наставника», — писали о нем в 1953 году), в 1924 году с горечью писал: «Где же истина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения? Способны ли мы ьообще узнать истину и имеет ли смысл заниматься наукой? Я потерял уверенность, что моя научная работа вела к объективной истине, и я не знаю, зачем жил; жалею только, что не умер пять лет назад, когда все мне еще представлялось ясным».

Да, ломка представлений была капитальной. В старой физике скорости и координаты было достаточно, чтобы полностью определить движение макроскопического тела, летящего камня, например. А вот пути электрона или другой какой-нибудь микрочастицы воистину оказывались неисповедимы! Ибо согласно формулам квантовой механики можно указать (и вычислить) только вероятности тою, что электрон находится в той или иной точке пространства. (А значит, необходима информация о бесконечном числе величин, а не только о координате и скорости.)

Но раз так, то получается, что электрон всюду и нигде! И вот это представить себе уже довольно трудно.

А может, трудность это мнимая? И надо просто предоставить вещам быть такими, каковы они есть?

Обсуждая однажды парадоксы квантовой механики, член-корреспондент АН СССР физик-теоретик Е. Фейнберг напомнил одну английскую шутку, как черт поймал трех путников и согласился отпустить их, только если они зададут ему невыполнимую задачу. Один путник — жадина — наивно попросил сделать растущее дерево золотым, другой — рационалист — заставить реку течь обратно.

Черт шутя справился с этим и забрал обе души. Но третий путник свистнул, сказав: «Пришей к этому пуговицу»! — и посрамил черта.

Как нельзя пришить пуговицу к звуку свиста, так безнадежно и представлять себе траекторию электрона, коль он к тому же еще и волна!

Играет ли бог в кости?

Известен призыв (принадлежит Н. Бору) создавать теории «как можно более безумные». Считается, что только на этом пути удастся осмыслить диковины, которые ученые находят во вновь открываемых ими «странах» природы. Однако на дело не о «безумных» идеях скорее идет тут речь, а о том, чтобы по возможности освободить себя от всех биологических и психологических пут и тенет, столь мешающих нам осваивать новое знание.

Трудность та, что приходится ломать привычные нам (понятие траектории электрона!) представления о пространстве, времени и материи, и это вызывает в нас какой-то внутренний протест и сопротивление.

Кварки и другие чудища микромира настойчиво внушают нам: при входе в микромир надо непременно сбросить «галоши» антропоморфизма, сиять «очки» так называемого здравого смысла и сдернуть «плащ» шелухи человеческих мерок и привычек. Все это дается человеку с большим трудом, шокирует, травмирует… В самом деле, человек, словно змея, должен менять, непрерывно сбрасывать «кожу» своих представлений.

Ну, заметит читатель, то, что трудно нам, должно быть, легко дается ученым? Они-то, видно, словно рыба в воде, прекрасно чувствуют себя в электронных и прочих волнах квантовой механики? Увы, это не совсем так.

Вот что пишет Р. Фейнман: «Было время, когда газеты писали, что теорию относительности понимают только двенадцать человек. Мне лично не верится, что это правда. Возможно, было время, когда ее понимал всего один человек (имеется в виду ее автор. — Ю. Ч.), так как только он разобрался в том, что происходит, и не написал еще об этом статьи. После же того как ученые прочли эту статью, многие так или иначе поняли теорию относительности, и, я думаю, их было больше двенадцати.

Но, мне кажется, я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает…»

Преувеличение? Желание поразить читателя? Нет, ведь даже А. Эйнштейн также не понимал квантовой механики. Он никак не мог согласиться со статистическим характером микроявлений. «Господь-бог не может играть с миром в кости», — упрямо настаивал он.

Ученый был непоколебимо уверен в рациональном устройстве мира. Его вдохновляли порядок и логика, якобы царящие в нем. Хаоса в природе он не признавал.

Однако с появлением квантовой механики все эти дорогие его сердцу принципы были поставлены под сомнение.

Часть ученых пришла к выводу, что в микромире нет того образцового порядка, который мы привыкли встречать в макромире. Что здесь всем правит Его Величество Случай.

«Заблуждение, — возражал на это А. Эйнштейн, — вероятности необходимы только для того, чтобы прикрыть наше невежество… законы природы причинны. Бог не играет в кости…»

В октябре 1927 года в Брюсселе собрался V Сольвеевский конгресс. Съехались самые видные физики планеты.

Прибыл и автор теории относительности, и творцы только что родившейся квантовой механики ждали, что он благословит новые идеи. Вышло же все по-иному.

В первый же день за завтраком в гостинице, еще до начала официальной работы конгресса, он предложил своим коллегам некий воображаемый эксперимент (обычный прием теоретиков), который, по его мнению, показывал противоречивость квантовой механики.

«Это был трагический момент, — вспоминал позднее Н. Бор. — Ведь если бы Эйнштейн оказался прав, то все рухнуло бы!..»

Весь день на заседаниях, в перерывах, даже во время обеда физики обсуждали эйнштейновский эксперимент.

«К вечеру Бор в основном закончил анализ, — пишет другой очевидец этих событий, В. Гейзенберг, — и за ужином изложил его Эйнштейну. Откровенно говоря, Эйнштейн не мог что-либо возразить против этого анализа».

Еще много раз пытался великий ученый опровергнуть основные постулаты новой науки, однако квантовая механика устояла.

В 1949 году, вскоре после своего семидесятилетия, А. Эйнштейн с горечью писал своему старинному другу М. Соловину: «Вы думаете, что я с чувством полного удовлетворения смотрю на дело всей своей жизни. Вблизи же все выглядит иначе. Нет ни одного понятия, относительно которого я был бы уверен, что оно останется незыблемым.

Я даже не уверен, что нахожусь на правильном пути вообще. Современники же видят во мне еретика и реакционера, который, так сказать, пережил самого себя».

Так до конца своих дней он и не примирился с квантовой механикой, по-прежнему считая ее вопросом научной моды и даже недомыслием ее адептов.

Кварки становятся цветными

Какого цвета элементарные частицы?.. Этот вопрос задавал многим физикам Г. Копылов, автор интересной книги про микромир («Всего лишь кинематика»).

Ответы были разными. При этом многие сошлись па мнении, что протон наверняка черный, если не красный.

Но показательно: высказывались только физики-теоретики, физики-экспериментаторы же, как правило, отмалчивались.

Получился, пишет Г. Копылов, хороший тест, позволяющий отличить потенциального теоретика от экспериментатора. Если вы, студент-физик, не чувствуете цвета частиц — не идите в теоретики!..

Когда впервые прозвучало слово «кварки», их было всего три. Известно было, что из этих элементов вроде бы можно построить любой адрон. Можно! Но только вот…

Оказывается, размещать кварки внутри частиц произвольно нельзя. Для них, как для зрителей в театре, должны быть отведены вполне определенные, строго пронумерованные квантовые «места».

Негоже двух (тем более нескольких) зрителей сажать в одно и то же кресло. Но именно это, казалось бы, делали теоретики с кварками. Внутри некоторых частиц билеты с одним и тем же номером получали сразу два, а иногда и три кварка.

Например, омега-минус-гиперон должен состоять из трех одинаковых странных кварков, причем одинаковыми у них должны быть и направления спинов. (Когда физики вводили понятие «спин», то предполагалось, что частицу, скажем, электрон, можно рассматривать как «вращающийся волчок», и его спин — от английского spin — вращаться, вертеться — и есть характеристика такого вращения.)

Все кварки — частицы с полуцелым спином: значит, выражаясь языком квантовой механики, они являются фермионами. Но фермионы (к ним относятся и электроны) не имеют права (действует так называемый принцип запрета Паули, ответственный, в частности, за живописное разнообразие электронных оболочек в атомах различных химических элементов) «быть вместе», находиться в одинаковом состоянии.

Тупик? Катастрофа для концепции кварков? Но противоречить канонам и прописям могущественной квантовой механики, которая до этого праздновала одну победу JA другой, было рискованно. Нет, что-то здесь было не так!

Первым выход из этого затруднительного положения указал (1905) академик Н. Боголюбов (в совместной со своими сотрудниками, Б. Струминскпм и А. Тавхолидзе, статье).

(Судьба Н. Боголюбова необычна. Известный советский математик Н. Крылов после беседы с четырнадцатилетним (1923 год) пареньком, окончившим сельскую семилетнюю школу, взял его к себе в ученики и до пределa загрузил работой. Не прошло и года, как ученик написал первую научную статью. Специальным решением Наркомпроса пятнадцатилетний подросток был зачислен в аспирантуру. А еще через два года юный математик стал сотрудником кафедры математической физики.)

Н. Боголюбов предположил, что вроде бы одинаковые кварки, составляющие тот или иной адрон, на самом деле не совсем подобны. Они различаются неким свойством, которое, за неимением готовых названий и в погоне за яркостью образа (а может быть, и не без юмора!), позднее нарекли «цветом».

Так кварки стали цветными. Существуют красные, зеленые, синие кварки. (Название цветов и сам термин «цвет», конечно же, не более чем наглядная и точная метафора, в которой нуждаются не только читатели научно-популярных книг и статей, но и сами ученые.)

Так введением еще одного загадочного качества кварков был восстановлен порядок в физическом «театре».

Его мудрая «дирекция» решила: кресел в зале вполне достаточно, просто надо понимать, что они различаются не только номерами, но и цветом: под одним и тем же номером значатся кресла трех цветов. Соответственно и билеты предлагалось покрасить в синий, красный и зеленый цвета. (Заметим, что до сих пор физики путаются, называя цвета: кое-кто толкует также о желтых, голубых кварках.)

Однако история с раскраской кварков на этом не закончилась. Сказавши «а», физикам надо было произнести и «б». Находясь в адроне, кварки должны взаимодействовать между собой: иначе непонятно, что их держит вместе. Но если есть взаимодействие, то должны быть (снова квантовая механика) и его кванты. В том же смысле, в каком фотон является переносчиком электромагнетизма, а пи-мезон (в первых теориях) переносчиком ядерных сил.

Поневоле пришлось допустить существование и особых переносчиков цвета глюонов (от слова glue — клей: глюоны «склеивают» кварки, не дают им разлететься).

Но в отличие от фотона глюоны — эти кванты цвета — сами должны быть цветными. Более того, глюон обязан нести уже не один, а сразу два цвета!

Например, чтобы «перекрасить» синий кварк в зеленый, глюон должен принести «антисиний» (!) цвет для компенсации старой окраски и новый цвет — зеленый.

(Такие бы средства да художникам! Чтобы без кистей и красок, а просто подумал: надо бы так-то и так-то изменить цвет на холсте — и готово!)

Так, разматываясь, кварковая «веревочка» стала еще и цветной. А кварки в адронах оказались окруженными облаком глюонов.

Сколько всего разных глюонов? Теория полагает, что ровно восемь: три цвета и три антицвета можно скомбинировать (это, если рассуждать простецки: теоретики же имеют дело со спинорами и другими деликатными вещами) девятью различными способами, но одна из комбинаций при этом оказывается бесцветной, и ее, как считают теоретики, надо запретить.

Ну а самое поразительное в этой странной истории то, что теория цветных кварков уже получила экспериментальное подтверждение. Конечно, никто цветного кварка не видел, но косвенные улики выдают «преступника» с головой.

Ну как тут не вспомнить строки О. Хайяма. Он писал:

Семантический салат

Древние греки и римляне оставили нам в наследство еще и древнегреческий с латынью. Эти ныне мертвые языки очень удобны, когда необходимо дать имя «новорожденному» той или иной науки.

Когда-то в основном так и поступали: брали один, два, а то и несколько корней забытых ныне миром слов и складывали из них новое. Однако постепенно слов стало не хватать. Прежний метод научного словопроизводства забастовал. И тогда кое-кто пошел на хитрость: стали заимствовать терминологию из лексикона смежных наук. Примеров тому немало.

Скажем, слово «плазма». Первыми (1845) его применили физиологи для описания бесцветной жидкой компоненты крови, лимфы, молока или мышц. Позже его включили и в слово «протоплазма». Хотя знатоки классических языков должны были бы протестовать: греческое слово plasma, лежащее в основе этих научных терминов, означало «вылепление», «оформление» и было вроде бы не совсем «к месту».

Позже слово «плазма» приглянулось физикам. И теперь мы имеем физику плазмы, плазмотрон, плазменные двигатели, плазменные ускорители, плазменные печи и т. д. Физики, по сути, отобрали это слово у биологов.

В связи с этим уместно вспомнить забавный эпизод.

На одной научной конференции, где собрались физики и биологи, первые то и дело говорили о плазме. Наконец, кто-то из биологов, сидящих в конце зала, не выдержал и жалобно спросил председателя, нельзя ли этому слову вернуть его прежний, биологический смысл. «Нет, — ответил председатель, — у физиков-атомников денег так много, что они навсегда откупили его…»

Но и заимствования не решили проблемы. Требовались все новые и новые слова. Объекты исследований — особенно в микромире — оказывались настолько сложными, что нужны были уже целые букеты слов.

Возьмем те же кварки. В описании их свойств участвуют такие слова, как «странность», «ароматы» (различные виды кварков часто называют еще и «ароматами»), названия трех цветов, слово «клей» (глюоны) и другие не менее заковыристые эпитеты. Получается настоящий семантический салат!

В чем недостатки подобной «свободы слова»? Их легко указать.

Прежде всего «этикетки» выбираются физиками довольно произвольно. К примеру, выбор цветов кварков и даже само понятие цвета — вещь довольно условная. При желании таинственное «нечто» можно было бы пометить не цветом, а, например, вкусом. И говорить о сладких, соленых и горьких кварках. Суть бы мало изменилась: ведь важно лишь то, что у кварков есть «что-то», некоторое свойство, могущее пребывать в трех модификациях.

А вот еще убытки от злоупотребления словами. Вслушайтесь в беседу химиков, биологов или математиков, и вы почувствуете, что не понимаете своего родного языка!

Иногда эти беседы может лучше понять иностранец. Конечно, он должен при этом быть химиком или биологом, да еще принадлежать к определенной научной школе.

Как бороться с этими издержками? И стоит ли?

Сказать трудно. Некоторые авторитеты настаивают: ученые должны пересмотреть свои труды, исключить из них специальную терминологию. Если ученый не в состоянии объяснить простым неученым лицам, что он делает, значит, он просто не знает, что творит. Если ученый ограждает себя барьером недоступности, это говорит лишь о том, что он недостаточно уверен в своих выводах…

Конечно, эти наскоки скорее всего слишком резки.

Как всегда, и в критике, и в научном словотворчестве лучше держаться золотой середины. Ну а точные критерии в этих делах зависят не только от ученых, но и от тех, кому наука адресована.

Один профессор высказался по этому поводу так: «Вы хотите разъяснения теории относительности? Какого разъяснения? На языке XVII века и, следовательно, в свете представлений времен Ньютона? Или с помощью современных технических терминов? Или опираясь на современную математическую символику? Все это будут попытки разъяснения, но насколько успешными они окажутся?»

Пока идут дебаты, физики («А Васька слушает да ест!») открывают вовсе новые элементарные частицы.

И вынуждены на свой страх и риск придумывать им имена.

До сих пор мы говорили только о трех кварках. Однако эстетические доводы еще лет 15 назад привели теоретиков к мысли, что должен существовать и кварк № 4.

Этот кварк должен был отличаться от предыдущих свойством, которое нарекли «очарованием». («Мы назвали наш кварк «очарованным», так как были восхищены и очарованы той симметрией, которую он внес в мир субъядерных частиц», — признался позднее один из авторов этого термина.)

И вновь теоретиков поддержали экспериментаторы.

В 1974 году был открыт новый адрон с временем жизни в тысячу раз продолжительнее, чем ожидалось. Этот факт можно был) объяснить только одним — в состав нового адрона входит кварк № 4 кварк, обладающий шармом.

Искусство потрясти аудиторию

В известном, теперь уже хрестоматийном рассказе «Подпоручик Киже» писатель Ю. Тынянов создал образ крайне замысловатый. Главный герой «присутствует, но фигуры не имеет».

Этот результат ошибки писаря, эта мнимая тень никогда не существовавшего человека дослужилась до звания генерала и даже была с почестями похоронена. Как все это напоминает кварки!

Сколько о них уже говорено, сколько бумаги исписано, чернил теоретиками пролито, искрошено мела! Уже два десятка лет упорно ищут кварки экспериментаторы.

Ненаблюдаемость кварков хоть кому покажется подозрительной. До сих пор обычно было не так: предсказывали теоретики такие-то частицы, и экспериментаторы их рано или поздно, но все же открывали. А вот с кварками это ну никак не получается!

А между тем число кварков все растет. В целой серии недавних экспериментов доказано (конечно же, косвенно) существование и пятого кварка. Обозначили его латинской буквой b: от английского слова beauty — красота (еще одна семантическая вольность).

Кроме того, есть подозрение (соображения, связанные с кварк-лептонной симметрией), что должен существовать и кварк Д²⁶. Ему уж и название заготовлено — «истинный», или кварк t (от thruth — истина). Но, конечно же, отыскать истину, как всегда, оказалось нелегко!

Кварки умножаются словно грибы после дождя — их число быстро растет. И в то же время они упрямо отказываются, так сказать, «воочию» предстать перед экспериментальными очами. Что бы все это значило?

В сборнике «Физики шутят» приведены юмористического толка сетования на тему, как заразить молодежь любовью к физике, как вызвать у нее восхищение достижениями этой науки, ее проблемами.

Действительно, трудная это задача. Неспортсмен, прочтя в газете про только что установленный новый мировой рекорд в плавании, вряд ли сильно заинтересуется этим сообщением. Чтобы проплыть 100 метров вольным стилем, прежде затрачивалось столько-то секунд, теперь на 2 секунды меньше: ну и что? Какая разница? (Этот штафирка от спорта просто не в состоянии в достаточной степени оценить труды спортсменов и тренеров и другие спортивные тонкости.) Вот так же и физику нелегко расшевелить аудиторию, состоящую из людей, с физикой слабо знакомых: ну, было три кварка, теперь — шесть, ну и что?

Да, согласимся, потрясти непосвященных какой-либо физической загадкой непростое дело. Беда в том, что мало кто заинтересуется ответом на вопрос, который он сам не задавал.

Но давайте, как теоретики, проведем такой мысленный эксперимент: объявим публично (краткая заметка в газете, аннотация в научно-популярном журнале): «НЕБЫВАЛОЕ, НЕСЛЫХАННОЕ. Открыта новая элементарная частица, ЧАСТИЦА-ПРИВИДЕНИЕ!»

Думается, что такое сообщение вызовет уже определенный интерес. С привидениями все мы с детства на «ты», они прочно вросли в мир наших представлений, тут все понятно любому. И то, что в чуждом и малопонятном для нас мире элементарных частиц обосновались наши давние знакомцы, — факт отрадный, частицы-призраки будут всеми приняты с симпатией.

Все это шутка только наполовину. Вспомним про кварки. Ведь они, возможно, и тут поставили своеобразный мировой рекорд. Что, если это действительно совершенно новый тип частиц: если не призраков, то невидимок? Что, если и в самом деле обнаружить отдельные кварки принципиально нельзя?..

Кварки вошли в физику подобно троянскому коню.

Вначале мало кто верил в их реальность. Все воспринималось лишь как красимая теоретическая схема, временные строительные леса на пути к более совершенным и более серьезным теориям. Ну, просто курьез, выверт, игра воображения теоретиков!

Однако не успели физики оглянуться, как кварки проникли всюду. И сейчас без них просто невозможно обойтись (так же, как, например, в химии нельзя уже обойтись без атомов и молекул). И в то же время «поймать» кварки никак не удается.

Вот и похоже на то, что кварки открыли в физике как бы новую страницу. Теперь некоторые частицы (из сословия элементарных), возможно, могут позволить себе роскошь отсутствовать в свободном виде, быть действительно частицами-призраками.

Квантовая шапка-невидимка

Вокруг кварков уже создана целая научная идеология, играющая ту же революционную роль в современной физике, какую квантовая механика играла в физике примерно полвека, а механика Ньютона — столетие назад. Возникла новая наука — квантовая хромодинамика. (Цветодинамика — так тоже можно ее назвать.) Понятие цвета в ней одно из важнейших.

Мы не собираемся — складываем перо в смирении! — излагать читателю тонкости этой науки: задача это непростая, да, кроме того, уже написаны и статьи и книги (и научные и популярные). А будем двигаться к более простой цели последуем за мыслью теоретиков, послушаем, как они трактуют ненаблюдаемость кварков. Но вначале вновь поговорим о цвете.

Есть забавная детская игрушка — вращающийся диск с тремя цветными кружочками — красным, синим и зеленым. При вращении кружочки сливаются в сплошную белую полоску, поскольку красный, зеленый и синий тона в смешении (еще И. Ньютон этим занимался!) дают белый.

Этот волчок и поможет в какой-то мере раскрыть секрет, отчего экспериментаторы не наблюдают цветных частиц, а видят их лишь белыми, хотя внутри адронов замурованы цветные кварки. Почему по не вполне понятным мотивам природа и мы вместе с ней обязаны быть дальтониками! Заметим, кстати, насколько завязли мы в месиве абстракций. Ведь, строго говоря, цвета кварков к обычным цветам и краскам никакого отношения не имеют! Но продолжаем.

По воззрениям теоретиков, часть адронов (барионы), состоящих из трех кварков, содержит каждый цвет по одному (один кварк красный, другой зеленый, третий — синий), поэтому в целом барион «выглядит» бесцветным.

В мезонах же и кварк и антикварк одного цвета. Однако (тонкая штучка!) цвет у мезона непрерывно меняется — треть своей жизни мезон красный, другую треть — зеленый, третью — синий. Так что и мезон в целом также оказывается бесцветным.

А почему мы не можем вытащить из адрона отдельный цветной кварк? Виноваты силы, действующие между кварками. И здесь природа проявила много выдумки.

Как показали хромодинамические расчеты, когда кварки находятся близко друг от друга, силы эти очень слабы, но они быстро увеличиваются, если мы попробуем кварки разъединить.

По закону Кулона (школьные знания), сила между двумя зарядами уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Подобному же закону подчиняется и сила тяготения. Так что при достаточном разведении друг от друга зарядов или масс этими силами можно пренебречь. А в квантовой хромодинамике все не так: сила не уменьшается с расстоянием, а остается постоянной.

Поэтому-то разделение кварков требует колоссальных энергетических затрат. Полагают, этой энергии было бы достаточно, чтобы поднять автора этих строк на 20 метров над поверхностью Земли!

Но, даже затратив этакую махину энергии, цели (уединенный кварк) мы все равно не добьемся. Задолго до того, как такой энергетический уровень будет достигнут, начнут действовать другие процессы. И энергия, вкладываемая на отделение кварка, материализуется в пару: кварк — антикварк. При этом новый кварк заменил бы тот, который мы пытались выудить, скажем, из протона, и восстановил бы протон в прежнем состоянии. А новый антикварк «прилип» бы к удаляемому кварку, образовав мезон. И в результате все будет выглядеть так, будто кварк так и остался на месте и как бы «из ничего» родился бесцветный (условия игры соблюдены!) мезон. (Все это похоже на то, как если бы мы попытались получить лист бумаги, имеющий только одну сторону! Или еще на то, что мы силимся оторвать от магнита один из его полюсов. Многие из нас еще в школе хотели сделать ото и убеждались в тщетности своих усилий: всякий раз получаются два магнита и оба с двумя полюсами.)

Вот она, шапка-невидимка для кварков! Похоже, эти частицы сидят в особом квантовом мешке и никак не могут оттуда выбраться.

Слово «мешок» (еще один образ) не произвол автора, а вполне рабочее понятие у тех, кто колдует с формулами квантовой хромодинамики в руках. (Говорят также еще о «вечном заключении», «инфракрасном рабстве»…)

Из-за математических трудностей точные расчеты физикам-теоретикам пока недоступны, но они не унывают: строят качественные модели удержания кварков в адронах, создают модели «мешков», или «кварковых мешков».

Физики, которые их разрабатывают, получили даже шутливое прозвище «мешочники».

Сейчас существует модель «дубненского мешка» (советские физики-теоретики из города Дубны были в этом деле первыми), «мешка Массачусетского технологического института» (США), хорошо известен «будапештский мешок». Есть, конечно, «мешочники» и в других странах…

Говорят, природа — открытая книга. Как бы не так!

Теперь мы знаем: некоторые страницы в ней как бы склеены (глюоны), так что прочесть их (кварки), возможно, никогда не удастся. Нет, содержание текста мы непременно узнаем, нельзя будет лишь самолично пробежать строчки глазами, оценив каллиграфическое (или типографское, если хотите!) мастерство природы.

Наука об элементарных частицах переживает пору своей юности. Никому не дано знать, что принесет она в будущем. Но, быть может, именно в этом главная притягательная сила, заставляющая нас быстро листать в книге природы страницу за страницей.

И, начав, человек уже не сможет оторваться от этого захватывающего чтения!