Кроме того, и в стане физиков, еще изучающих проблемы микромира, все чаще раздаются скептические голоса сомневающихся в выборе стратегии исследований. Еще свыше десяти лет назад организатор Стэнфордского ускорительного центра Вольфганг Панофски предрекал кризис физики высоких энергий, если на выручку ей не придут новые принципы и новые технологии. К концу же истекшего века сложилась парадоксальная ситуация, когда, по словам самих ученых, не было большего различия во взглядах теоретиков на сущность их работы. На фоне непрекращающегося потока поразительных экспериментальных открытий прямо ставится вопрос о том, что же, собственно, является предметом исследований в физике элементарных частиц? Но, может быть, в поисках ответа стоит оглядеться по сторонам, обозреть бурно развивающиеся сопредельные области, например астрофизику и космологию. Не там ли, где активно обсуждаются первые и последние мгновения нашего Мира, где калейдоскопически быстро меняются сценарии развития Вселенной, реально происходит вожделенное объединение «микро» и «мега»? Не там ли, где без нашего участия действуют циклопические ускорители, востребуется багаж накопленных физикой элементарных частиц опыта и знаний?
Не там ли становится ясным, что обойтись друг без друга исследователи этих полюсов мироздания не смогут? И не на пути ли возведения мостов, преодоления пресловутых «стыков» между расчлененными, пытающимися порой самозамкнуться областями науки видится их общий выход из методологических тупиков и мировоззренческих кризисов?
Публикацией предлагаемых вашему вниманию статей мы пытаемся по-своему поддержать объединяющий призыв профессионального астронома, прозвучавший в начале прошлого года на страницах нашего журнала: «Давайте строить хорошие телескопы и ускорители частиц!»
Александр Волков
Нужны ли физикам ускорители?
Утонченный ум, живший в эпоху Архимеда, основательно изучив современную физику, убедился бы, что для него непостижимо, каким образом кто-либо смеет именовать наукой эти варварские, гротескные и путаные воззрения и считать их неизбежными следствиями очевидных фактов.
Есть разные способы искать истину. Изобретатели и философы, «взявшиеся не объяснять, а переделывать мир», одержимы желанием обрести светлое будущее, а значит, сотворить его, невольно превращаясь в «человекобога». Теоретики, докапываясь до истоков и пытаясь найти первопричину в сумбуре явлений, ищут путь к начальному акту Творения. Устремляясь от атома к протону, от протона к кварку, они стараются узреть тот первый кирпичик мироздания, что «вылепил Господь Бог».
А если это иллюзия н подобным путем можно двигаться до бесконечности, дробя частицы на распадающиеся части?
С античных времен физика занята поиском элементов, из которых складывается все мироздание. Древние греки верили, что начало всему – «атомы и пустота». Все в нашем мире, убеждал Демокрит, возникает вследствие столкновений и слияний этих атомов или же распада их коалиций.
Идея «основы основ» («первочас* тицы», «атома») постепенно нашла приверженцев и среди ученых нового времени.
Впоследствии обнаружилось, что атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Картина мира усложнялась. Ученые начали открывать все новые элементарные частицы. Назрела потребность свести все их обилие к нескольким крохотным и неделимым элементам.
В 1964 году это сделал американский физик Марри Гелл-Ман, постулировав понятие «кварка». Поначалу он полагал, что достаточно трех кварков: «up», «down» и «strange». Из них – как в конструкторе «Лего», – очевидно, сложены все известные науке частицы: и те, что таятся внутри атомов, и те, что лишь на миг оставляют свой след в пузырьковой камере.
Итак, первоэлементы мира найдены и посчитаны – пусть лишь теоретически. Как бы не так! Радость ученых длилась недолго. Теперь – «общей простоты ради» – они стали множить сущности, лежавшие в основе мироздания. Уже в 1965 году всем кваркам приписали свой «цвет», то бишь определенное квантовое число, их характеризующее. Однако и этого было недостаточно. В «зоопарке частиц» появились новые постояльцы: кварки, именованные «charmant», «bottom» и «top».
Самый крупный центр исследования элементарных частиц – ЦЕРН – находится в Женеве (Швейцария). Здесь работают около семи тысяч ученых из разных стран мира.
Можно подвести баланс. У нас есть шесть кварков, каждый из которых предстает в трех различных «цветах». Значит, всего разновидностей кварков: 6x3 = 18. Вот как! Сводя мироздание к нескольким простейшим элементам, мы получили 18 частиц, составляющих суть всего мира. Не много ли? Вдобавок, у этой пестрой толпы частиц есть свои античастицы, окрашенные в «антицвета».
Ученые конструируют новые теории, согласно которым кварки состоят из других, более мелких частиц – из преонов, сомонов и хромонов. Ате, в свою очередь, могут состоять из других, более мелких частиц. А те, в свою очередь… За одной «скорлупой», словно в сказочном сюжете, немедленно вырастает другая. Тайна жизни мироздания, как тайна жизни Кощея, спрятана в кварке, кварк – в протоне, протон – в ядре, ядро – в атоме, атом – в каждом из нас, но что спрятано в кварке? Не придется ли ученым «взламывать» все новые частицы, силясь добраться до сути вещей?
Сейчас все внимание физиков обращено к кварк-глюонной плазме – необычному состоянию материи, существовавшему лишь в первые 10 микросекунд после Большого Взрыва. Эксперименты с ней ведутся в Швейцарии, в лаборатории ЦЕРН, и в США, в Брукхейвенской национальной лаборатории.
Физики, работающие в ЦЕРН, по всей видимости, сумели впервые получить это новое состояние материи. Во время пребывания в нем во Вселенной царили такие высокие температуры, что атомные ядра просто не могли возникнуть: триллион градусов! Это в десятки тысяч раз больше температуры, зафиксированной в центре Солнца.
Существование кварк-глюонной плазмы еше десятилетия назад было предсказано Стандартной моделью материи. Согласно этой модели, нейтроны и протоны состоят из кварков, слепленных с помощью глюонов. Глюоны – частицы, которые осуществляют взаимодействие между кварками, а оно является самым сильным из всех фундаментальных взаимодействий.
Лаборатория Ферми в Чикаго (США). Здесь находится самый эффективный ускоритель мира – теватрон.
Сейчас в природе не существует свободных кварков. Все они стали компонентами каких-либо элементарных частиц. Как правило, те составлены из двух или трех кварков, которые могут высвободиться лишь при экстремально высоких температурах.
Вот тогда вместе с глюонами они и образуют особую смесь, которую именуют кварк-глюонной плазмой.
На страницах журнала «Сайенс» метко было замечено: кварк-глюонная плазма стала «новой увлекательной игрушкой физиков», ради которой они готовы забыть обо всем. Не похоже ли их увлечение на странную страсть средневековых ученых, решивших отыскать «философский камень»? В самом деле, в маниакальном желании теоретиков разложить все существующие ныне частицы на кварки есть что-то от давно забытого намерения алхимиков превратить все химические элементы в золото.
Современная теоретическая физика становится «вещью в себе». Здесь затевают один грандиозный эксперимент ради другого. Подобные опыты оставляют огромную брешь в «святая святых» любой страны – в ее бюджете. Вот небольшой дебет эксперимента в Брукхейвенской лаборатории. Новый ускоритель обошелся в 600 миллионов долларов. Главные детекторы, регистрирующие частицы в хаосе треков, стоили по 100 миллионов долларов каждый. Стоимость суперкомпьютеров, помогавших обрабатывать полученные результаты, – около семи миллионов долларов.