Но при этом исчезли и кварки, точнее, те смещения, которые до этого свидетельствовали, казалось, об их присутствии. И исчезли уже навсегда.
      Открытие и закрытие. Иногда их делают разные исследователи: одни открывают, другие закрывают.
      Чаще же "закрывание" осуществляют сами "открыватели". Так было и в случае, о котором мы только что рассказали.
      Хотя и бывают порой "закрытия" ценные, "закрытия", восстанавливающие истину, спасающие науку от заблуждений, ложных дальнейших шагов, - цена их явно неравнозначна открытию. "Золото" найденного сверкает и слепит, веселя сердце первооткрывателей, помогая им быстро забыть всю тяжесть усилий, потраченных для достижения победного результата.
      Иное при "закрытии". Здесь трудности часто те же - отрицательность результата не уменьшает их ни на йоту.
      Ученые тратили последние силы, рискуя здоровьем, а то и самой жизнью (и такое бывает!). А что могут получить взамен? Разочарование, иронические замечания коллег, потерю веры в собственные силы, апатию. Не только победных возгласов не услышат, но даже просто опубликовать отрицательный результат не всегда смогут. В лучшем случае где-нибудь, как бы ненароком, в сносках, в примечаниях удастся упомянуть про кусок научной жизни, отданный такой неблагодарной работе.
      Следы невиданных зверей
      Когда высоко в небе пролетает реактивный самолет, он оставляет за собой постепенно расплывающийся след - облачко кристалликов льда. Сам самолет часто невидим, и его присутствие выдает лишь оставленный им белый пушистый хвост. Глядя на этот след, мы можем думать о чем угодно, но только не об элементарных частицах.
      А напрасно! Многие сведения о микромире ученые получили, как раз разглядывая следы, подобные следу самолета в небе. Оказывается, точно таким же способом и микрочастица может тропить свой путь.
      Но следы, невольно выдавая охотнику свое присутствие, оставляет и зверь в лесу. Так вновь пересекаются охота лесная и охота ядерная. По этому поводу можно было бы даже сочинить небольшое эссе. В нем нашлось бы место и для особых заповедей, отличающих охоту ученую от охоты обычной. Тут пришлось бы перечислить пункты вроде таких:
      1. В охоте научной поймал тот, кто поймал первым.
      Второй, третий и последующие "удачливые" охотники в зачет уже не идут.
      2. Совершенно неважно, сколько ты поймал. Даже единственного экземпляра "зверя" будет вполне достаточно.
      3. Вовсе не обязательно ловить самого "зверя": достаточно его каким-то образом обнаружить - увидеть и сфотографировать (чтоб не сомневались остальные охотники!) или, скажем, найти его след...
      Умению детектировать следы невидимых частиц, сделать их заметными для глаза или регистрирующего их аппарата мы обязаны английскому физику, выходцу из Шотландии Ч. Вильсону (1869-1959).
      Ученый начинал свою научную карьеру как метеоролог. Его интересовало, как зарождаются в атмосфере облака. Но эти поиски неожиданно завели его совсем в другую область науки.
      Ч. Вильсон часто любовался облаками, обволакивающими вершину Бен Невиса - высочайшего горного пика не только Шотландии, но и всей Англии. И уже в лаборатории (Ч. Вильсон был сотрудником Дж. Томсона в Кембридже) пытался в меньшем масштабе воспроизвести это красивое и загадочное тогда явление.
      Он поступал так: насыщал водяным паром воздух в небольшой камере, затем быстро выдвигал стенку-поршень камеры, смесь воздуха и водяного пара расширялась, температура ее падала. Воздух в камере переохлаждался, и в ней в любой момент могло начаться выделение капелек влаги. Так можно было имитировать образование облаков.
      Однако лабораторные облака, как и естественные, образуются не всегда. Хотя пересыщенный пар находится в крайне неустойчивом состоянии (ученые называют это состояние метастабильным), для образования капелек необходима "затравка", какие-нибудь микрозародыши. Ими могут быть, к примеру, всегда присутствующие в городском воздухе частицы индустриальной пыли. (След самолета в небе - это и есть капельки влаги, которые сконденсировались на частичках недогоревшего топлива, выбрасываемых мотором самолета, и быстро замерзли.)
      Ч. Вильсон продолжал экспериментировать, и однажды его осенила счастливая мысль, что зародышами каплеобразования могут стать и ионы воздуха. И доказал это.
      Когда заряженная элементарная частица проходит сквозь вещество, она своим электрическим полем срывает часть электронов с оболочек встречных атомов - ионизирует их. Вдоль пути пролетающей частицы выстраивается цепочка ионов. Если частица при этом движется в переувлажненной среде, то на ионах будут возникать капельки влаги. Они начнут быстро расти и достигнут видимых размеров.
      В 1912 году Ч. Вильсон сконструировал камеру (она теперь носит его имя), которая сыграла важную роль в изучении нравов микромира. Несколько десятилетий это был практически единственный способ, позволяющий визуально регистрировать ядерные процессы. (В 1927 году Ч. Вильсон получил за это изобретение Нобелевскую премию.)
      И все же это дерзость - по следам воссоздавать образ элементарной частицы. Грубо говоря, это похоже на попытку определить по следу только что пролетевшего реактивного самолета его конструкцию. Дерзость? Тем не менее физики давно научились довольно хорошо разбираться в ядерных следах.
      След следу ведь рознь. Движущийся электрон оставляет тонкий волнистый след: он легко искривляется, если вблизи траектории оказываются другие электроны. Массивная альфа-частица, наоборот, оставляет прямой и толстый след: это как бы носорог микромира, мчащийся сквозь заросли напролом. Но если на ее пути встретится тоже массивное атомное ядро, альфа-частица изменяет свой путь: в камере Вильсона будет виден резкий излом следа (следы физики называют треками).
      Чтобы теперь узнать подробности о заряде ядерной частицы, камеру Вильсона обычно помещают в магнитное
      поле. Оно искривляет ее путь, превращая его в дугу. Радиус изгиба траектории зависит от величины электрического заряда частицы: чем заряд больше, тем меньше радиус. Направление изгиба (направо или налево) говорит о том, какой у частицы знак заряда - положительный или отрицательный.
      Эти знания могут пригодиться и при ловле кварков.
      Ведь у них аномально малый заряд: и это хорошая зацепка для ученых-следопытов. Толщина следа, который оставляет частица в камере Вильсона, пропорциональна квадрату ее заряда. Поэтому частица с зарядом 7з - кварк - оставит в 9 раз более тонкий след, чем электрон. Вот по таким "рыхлым", разреженным следам и можно надеяться отыскать кварки среди других жителей микромира.
      С мышеловкой на слона
      Источником кварков (в опытах по их определению) могут стать космические лучи. Однако метод этот не очень надежен.
      Физик-экспериментатор, имеющий дело с не подчиняющимися его воле хаотическими потоками космических лучей, похож на авиаконструктора, который вдруг вздумал для испытания крыла самолета выбрать чистое поле, где, как он надеется, возникнет ветер нужной ему силы и направления. И подобно тому, как авиаконструкторы вынуждены были призвать на помощь аэродинамическую трубу, где режим испытаний строго контролируется, так и физики в конце концов обратились к подчиняющимся их требованиям пучкам частиц, разогнанных в ускорителях. И если к помощи космических лучей прибегают и по сей день, то причина понятна: в космических лучах - а вдруг повезет! - можно встретить частицы с энергиями, которые пока на несколько порядков больше тех, что дают самые крупные из ускорителей.
      Погоня за кварками в космических лучах, преследование их в ускорителях - как все это вновь наводит на мысли об охоте обычной. Параллели напрашиваются сами собой.
      Охота на лесного зверя официально подразделяется на охоту ружейную и охоту самоловную. И у ученых го же. Пальба в ускорителях - ну чем не ружейная охрга? А ученые, выслеживающие кварки в космических лучах, конечно же, занимаются охотой самоловной: прилетевший из космических глубин кварк попадает в приготовленные для него учеными капканы.
      Простейший физический "капкан" - фотопластинка.
      Она очень похожа на ту, что применяется в обычных фотоателье, только фотослой здесь особый. Он готовится по специальному рецепту, ибо должен быть крайне высокочувствительным, чтобы реагировать даже на очень слабые ионизирующие повреждения.
      К разряду ядерных капканов можно отнести и различные счетчики элементарных частиц. Старейший и, видимо, простейший из них - счетчик Гейгера.
      Это газоразрядная трубка, в которой создано сильно неоднородное электрическое поле. При попадании в рабочий объем счетчика ионизирующей частицы образуется электронная лавина: через счетчик течет ток. Это и позволяет вести учет частиц.
      Подобное устройство было изобретено Э. Резерфордом и немецким физиком X. Гейгером в 1908 году. Тогда этот прибор был незаменим при исследовании радиоактивности. По импульсам тока можно было подсчитать, что, например, грамм радия в секунду испускает 37 миллионов альфа-частиц.
      Физические приборы, использующиеся сейчас для ловли микрочастиц, довольно многочисленны - всех не перечтешь. Добавим сюда еще только уже знакомую нам камеру Вильсона для того лишь, чтобы обратить внимание на ее явные недостатки.
      Для ловли кварков камера Вильсона так же мало подходит, как рогатина или духовое ружье плохо вяжутся с современной охотой, где в ход пошли даже вертолеты!
      Счетчик Гейгера вышел из моды (правда, его еще используют, например, в биологии, где требования не столь высоки, как при ловле микрочастиц), потому что уж очень он "неповоротлив": регистрация сверхбыстрых сигналов ему явно не под силу.
      А "неповоротливость" камеры Вильсона проявляется в другом. Что можно довольно просто объяснить.
      Камеру наполняет газ (пары). Он очень разрежен в сравнении с жидкостями. Поэтому и следы получаются жидковаты, чересчур тонкими. А кварки (пора вспомнить о них) и сами не очень-то следоспособны. Так что ловить кварки в камере Вильсона - это то же, что при охоте на слонов пользоваться... мышеловками.
      Для ловли кварков и других необычных частиц требуются средства более надежные. И физика дала их.
      Приборы отбились от рук
      В 20-е и 30-е годы камера Вильсона все еще была чудом науки. Но требования к измерениям возрастали. Ученые имели дело со все более быстрыми и, главное, короткоживущими частицами. И хотя целое поколение физиков билось над усовершенствованием детища Вильсона, преуспели тут мало.
      Революцию в этом деле совершила изобретенная в 1952 году пузырьковая камера. Она справедливо стала сенсацией 60-х годов. С ее помощью был открыт и знаменитый омега-минус-гиперон, упрочивший славу М. ГеллМана и торжество кварковой гипотезы.
      В двух словах пузырьковую камеру можно представить как камеру Вильсона "наоборот". Вместо капелек жидкости в пересыщенном паре теперь исследователи имеют дело с пузырьками пара в перегретой жидкости.
      Жидкость мгновенно вскипает вдоль трека ионизирующей частицы и отмечает его гирляндой мелких пузырьков газа.
      Когда пузырьки в камере достигают значительных размеров, камера освещается и следы (они имеют микронные толщины) фотографируются (стереофотосъемка с помощью 2-4 объективов). После фотографирования давление в камере поднимается до прежней величины, пузырьки при этом исчезают, и камера вновь оказывается готовой к действию. Весь цикл работы пузырьковой камеры составляет величину порядка 1 секунды.
      Эволюция пузырьковой камеры - от рождения до нашпх дней - весьма примечательна и характерна. Методические усовершенствования шли гигантскими темпами:
      началось все с "сургуча и бечевки" (обычное выражение физиков, когда они хотят подчеркнуть, что в прошлом выводили законы с помощью самых простых средств), а закончилось дело тоннами и тоннами материала.
      Примером современной установки может служить созданная во Франции для совместной работы с советскими физиками водородная камера "Мирабель", установленная на ускорителе Института высоких энергий АН СССР под Серпуховом. Ее объем 10 кубических метров, общий вес движущихся частей достигает 2 тонн, а стоит она миллионы. Создание подобных устройств - уже дело государственного и даже межгосударственного масштаба.
      К чему такие гиганты? Они себя оправдывают, это легко доказать. Заполняющий камеру "Мирабели" жидкий водород представляет собой хорошую (простую и однородную) мишень для частиц, врывающихся в камеру из космоса или из "жерла" ускорителя. Тут пузырьковая камера решительно одерживает верх над ядерными фотоэмульсиями - этим винегретом из водорода, углерода, азота, кислорода, брома и серебра. (Работающие с ядерными эмульсиями физики всегда спорят о том, в какое именно ядро попала частица с высокой энергией.)
      Достоинство большого объема камеры в том, что теперь можно следить за ядерными событиями - за последовательными этапами распада частиц - на протяжении многих метров, а также регистрировать очень редкие процессы (рождение кварков?), представляющие для науки огромный интерес.
      Но гигантизм выставляет и свою оборотную, негативную сторону: обработать информацию, даваемую пузырьковой камерой, нелегко.
      Дело прежде шло так. Сначала лаборанты просматривали все полученные фотографии и отбирали те из них, где достаточно много "вилок". Отобранные снимки поступали затем на измерительные микроскопы. Все увиденное приборами автоматически засылалось в память ЭВМ.
      Но на изучение каждой фотографии даже современная электронно-вычислительная машина тратит немало времени. Вот и получается, что с помощью даже пузырьковых камер практически невозможно исследовать очень редкие события, которые случаются, скажем, раз за сто тысяч взаимодействий, вылетающих, к примеру, из ускорителя частиц с веществом камеры. И сейчас физики хотят совсем исключить человека из системы обработки поступающей из камеры информации. Автоматизировать все.
      Да, созданные человеком приборы сами стали проблемой. И изумленный их быстрым ростом изобретатель пузырьковой камеры американский физик Д. Глейзер мог с полным основанием сказать: "Приборы стали очень большими, они отбились от рук..." Добавим еще, что, получив за свое изобретение Нобелевскую премию по физике в 1960 году, Д. Глейзер тут же в интервью журналистам заявил, что его научные интересы изменились: он покидает ядерную физику и отныне займется молекулярной биологией.
      Поиск ведут кварколовы
      Вооруженные современными приборами (а мы рассказали только о некоторых из них, стоило бы еще поговорить о сцинтилляционных и черепковских названы в честь советского физика, лауреата Нобелевской премии академика П. Черепкова - счетчиках, об искровой камере и других чудесах экспериментальной техники), физики продолжали поиски кварков.
      Если протон действительно состоит из трех кварков, надо его расколоть, как орех, и сделать это можно при ускорении частиц на мощных ускорителях. Свыше 50 таких тщательных и остроумных экспериментов было поставлено. Но, увы, результат оказался нулевым.
      Конечно, можно предполагать, что энергии ускорителей недостаточно. "Скорлупа", дескать, протона или нейтрона так толста, что разбить ее пока не удается. Что же, тогда стоило бы поискать кварки в космических лучах, где энергия частиц может быть практически любой.
      Искали и в космических лучах, и поиски эти были отмечены драматическими моментами. Отдельные группы ученых уже считали, что ими пойманы частицы с дробными зарядами.
      Счетчики американцев - группа Адейра - полгода (!) свидетельствовали о попадании в них кварков. А потом? Перестали свидетельствовать, и ведут себя так же и до сего дня.
      К ловле кварков подключились и астрономы.
      Есть звезды, излучающие частицы очень высокой энергии. Эти последние могли бы способствовать образованию заметного количества кварков. Надежда была на то, что при этом возникнут (правда, в небольших количествах) "кварко-атомы": в них вокруг протона вращался бы уже не электрон, а отрицательно заряженный кварк.
      Такие атомы должны излучать спектр, похожий на спектр водорода, но самая интенсивная линия этого спектра будет уже ультрафиолетовой (длина волны около 2750 ангстрем).
      Астрономы надеялись, что так же, как столетие назад они обнаружили "солнечный газ" - гелий - сначала на небе (лишь потом гелий был открыт на Земле), так и кварки тоже окажутся "небесными пришельцами".
      Астрономы надеялись, но сейчас, видимо, надежду потеряли.
      И наше родное Солнце обмануло ожидания астрономов. В его спектре были обнаружены линии, которые хотелось бы приписать присутствию кварков, однако вскоре нашлось и другое, более простое и правдоподобное объяснение.
      Ученые искали кварки и в ближнем космосе (изучались образцы лунных минералов, метеориты, исследованиями занимались космонавты на орбитальных станциях), и в совсем дальнем.
      Думалось так: раз наша Земля, и Солнце, и Млечный Путь, все это результат сложной эволюции Вселенной, то, возможно, когда-то не было и протонов с нейтронами, а были только кварки. А уже потом из них образовалась материя, что окружает нас, но часть кварков - "реликтовые кварки" - не смогла воссоединиться в троицы.
      Вот ловлей этих чудищ, сохранившихся в первозданном виде (они не смогли "выгореть" и превратиться в нормальные частицы), и занимались ученые.
      К реликтовым кваркам следует добавить и те, которые могут образоваться, когда потоки космических лучей встречаются с веществом нашей планеты. Как ни малы тут шансы, все-таки Земля уже миллиарды лет подвергается воздействию космических лучей, если кварки существуют, они - как создания стабильные: распасться им уже не на что! - должны накапливаться в окружающем нас веществе.
      Где искать кварки? В земной тверди, в воде океанов, в атмосфере?
      Если доля кварков в веществе очень мала, их надо предварительно концентрировать. И были предложены разные проекты по обогащению океанической и иной кварковой "руды".
      Химики и геохимики тоже включились в кварковые поиски. Надежда была на то, что кварки в принципе могут очень охотно соединяться с определенными химическими элементами. Не будут ли тогда залежи, в которых эти элементы встречаются особенно часто, и залежами кварков?
      Исследовались и образцы осадочных отложений, взятых со дна океана: считалось, что массивные кварки должны скопиться там. Изучались даже раковины устриц, но и это не принесло желанного результата.
      К стану кварколовов примкнули и биологи. Известно, что некоторые растения могут накапливать в своих тканях и клетках редкие элементы, рассеянные в окружающей среде в мизерных количествах (этой способностью отличаются, кстати, и многие представители фауны).
      В северной Финляндии, например, есть лишайники, накапливающие стронций-90 (этот радиоактивный изотоп образуется при делении урана). Быть может, стоит поискать и растения - накопители кварков?
      Предложений было немало. Попыток их реализации (конечно, наиболее активными были физики) также оказалось предостаточно. Но после завершения каждой такой акции неизменно звучал неприятный рефрен - "нет".
      Это суровое слово, конечно, не перечеркнуло кварковой гипотезы, но и не способствовало укреплению ее позиций.
      Правда, один положительный итог поиски кварков дали. Было совершенно точно установлено, что если свободные кварки и существуют, то концентрация их в веществе ничтожно мала: не превышает 10^-18-10^-20 доли от общего числа протонов и нейтронов (по некоторым данным кварков еще меньше: 10^24-10^-30!).
      Космические разбойники
      Тщательные поиски кварков ведутся вот уже два десятилетия. Большой для современной физики срок! Однако до спх пор никто уверенно ни одного кварка так и не "увидел".
      Забавно, что пока физики-охотники "обшаривали окрестности", шла оживленная дискуссия о том, что означает само слово "кварк".
      Вдруг обнаружилось, что его использовал И. Гёте.
      В прологе к первой части "Фауста" Мефистофель говорит, что "бог сует свой нос во всякую дрянь". Звучит это по-немецки так: In jedem Quark begrabt er seine Nase.
      Кроме того, оказывается, "кварк" также и творог.
      В витринах молочных магазинов в странах, говорящих по-немецки, часто можно увидеть объявление: "Покупаем творог!" (Wir brauchen Quark!)
      Не дремали и писатели. Фантасты, должно быть, завидуя славе Г. Уэллса, "открывшего" атомную бомбу за тридцать с лишним лет до Хиросимы, наперебой писали о кварковых бомбах.
      Лингвистические и литературные дела шли успешно, а вот поиски физиков результатов не давали, что очень разочаровывало. В чем дело? Как объяснить неудачи?
      Может быть, кварки живут столь мало, что никакие современные приборы не в состоянии их обнаружить?
      Но, казалось бы, их даже сверхмимолетное присутствие должно было бы оставить какие-то следы: ядерные (уже долго живущие) продукты, разные излучения... Тогда, выходит, кварки вообще не существуют?
      "Нет, - полагают сторонники существования кварков, - неоткрытие этих частиц - явление временное".
      И в подтверждение этого своего мнения приводят различные исторические аналогии.
      Ведь злословили же когда-то о кинетической теории газов, что молекулы-де только фикция и просто все происходит так, как если бы они существовали, но что в действительности-то их нет. Что это-де только понятия, которыми удобно пользоваться в химии и термодинамике.
      Только много позднее эти "понятия" превратились в реальные молекулы и атомы.
      И законы Г. Менделя были высказаны задолго до того, как гены были обнаружены и исследованы непосредственно.
      О Г. Менделе (1822-1884) стоит поговорить немного подробнее.
      Сын бедного австрийского священника, он был вынужден вступить послушником в августинский монастырь города Брюнна (ныне Брно, Чехословакия), был посвящен в священники, но никаких церковных обязанностей не исполнял, а занимался преподаванием наук и опытами по скрещиванию расгений.
      Г. Менделя интересовали две далекие друг от друга области - математика и ботаника. Ему нравилось возиться с растениями в монастырском саду, ибо с детства приобрел практические навыки в садоводстве.
      Восемь лет неторопливо и тщательно этот странный монах скрещивал различные сорта гороха и терпеливо фиксировал результаты, подвергая их математической обработке. В 1865 году итоги работы были доложены в Брюннском обществе естествоиспытателей и опубликованы в "Записках" того же общества (1866).
Конец бесплатного ознакомительного фрагмента.