Охота за кварками

Нетерпеливые и скорые на мысль теоретики уверенно (и с каждым днем все более: их схемы работали все лучше и лучше) говорили "да": кварки должны, просто обязаны были существовать в природе. Теоретикам возражали экспериментаторы. Более спокойные и не торопящиеся с окончательными выводами, они твердили "нет":

пока в экспериментах обнаружить кварки никак не удавалось.

"Рождение", "выживание" или "гибель" гипотез при их столкновении с данными опыта - дело в науке довольно обычное. И никто не станет пенять теоретику, если его научная версия не оправдалась. Гораздо сложнее положение экспериментатора: ошибаться ему не след, хоть такое и случается порой. С экспериментатора спрос больше, но зато ему больше и веры.

Вообще, заметим, что в неразлучной паре "теория - эксперимент", как бы результативна и плодовита ни была теоретическая мысль, все же считается, что решающее слово остается за экспериментатором - он ближе к природе!

На этот счет у физиков есть такая шутка. Они говорят, что различие между теоретиком и экспериментатором заключается в том, что результату теоретика обычно не верит никто, кроме него самого, а результату экспериментатора обычно доверяют все, кроме самого экспериментатора.

"Нет", - в вопросе о существовании кварков слово экспериментаторов было решающим. Какие тут могут быть разговоры! Для доказательства есть только один путь: кварки необходимо было представить научному миру, так сказать, живьем.

Кварки, какая бы это была ценная добыча! Пойманные кварки очень быстро перекочевали бы со страниц узкоспециализированных научных журналов в монографии. Потом в текст университетских и вузовских лекций. Затем и в школьные учебники. О кварках, об этом фундаменте материи, громогласно возвестило бы радио, их показывали бы (в рисунках, схемах) по телевидению, о них рассказывала бы многочисленная армия лекторов, их бы разобрали по .винтикам и вывернули бы наизнанку популяризаторы науки.

А такой чести удостаивается не каждое научное достижение. Открытий в наш век сделано слишком много, о всех не расскажешь. Но кварки! Открытие кварков стало бы подлинным триумфом науки. Оно было бы записано в ней золотыми буквами, попало бы во все учебники и, несомненно, осталось бы в них на ближайшие, скажем, сотни лет.

Опыт Милликена

Итак, очень многие жаждали поймать хотя бы один кварк. И дело это вроде бы не должно было доставить много хлопот: кварки же ведь существа весьма экзотичные, и выделить их будет несложно.

Главное - у кварков дробный электрический заряд (дробным, кстати, является и их барионный заряд; + 1/3), что и должно существенно облегчить их наблюдение. Эта дробность не позволяет им исчезнуть: распасться на обычные частицы (электроны, например), обладающие целым или нулевым зарядом. Иначе нарушился бы закон сохранения зарядов - один из краеугольных камней физики. Все эти рассуждения значили одно: кварки должны быть стабильными частицами. Если они существуют, то должны быть везде.

И их, как только была выдвинута кварковая гипотеза, принялись искать повсюду - на поверхности Земли, в океанах, в космических лучах, на ускорителях элементарных частиц.

Но, допустим, кварк у нас в руках: в той горстке материи, что мы держим. Как отличить его от других частиц? Какой для этого использовать метод?

И здесь вспомнили про то, как был измерен заряд электрона. Сделал это в 1911 году американский физикэкспериментатор Р. Милликен (1868-1953).

Р. Милликен был ученым с некоторыми странностями. Он один из немногих, кто упорно пытался примирить религию и науку. В колледже (другой пример эксцентричности) он специализировался по греческому языку и в физику влюбился только в университетские годы. Но уж зато экспериментатором Р. Милликен был первоклассным.

Дж. Томсон, мы помним, открыл электрон, а вот измерил его заряд, да еще с прецизионной точностью, именно Р. Милликен. За это в 1923 году он был удостоен Нобелевской премии. Его опыт был элегантен, красив, точен, наивно прост и стал добротной классикой. Ученый изучал падение заряженных капелек в электрическом поле конденсатора.

Опыты эти были начаты в 1906 году. Вначале бралась крохотная электрически заряженная водяная капелька.

Вниз ее тянуло поле тяжести, вверх - электрическое поле.

Неудача первых опытов состояла в том, что ничтожно малые кайли воды быстро испарялись, и уменьшение их веса вносило погрешность в расчеты. Поэтому в 1911 году ученый начал экспериментировать с каплями масла: тут испарение уже не вносило больших осложнений.

Капельки масла (проводились и опыты с ртутными шариками) у Р. Милликена были настолько легкими (они весили 10^-11 - 10^-12 грамма), что изменение их количества электричества всего лишь на один электрон (тоже лилипут: его заряд 10^-19 кулона) уже заметно влияло на скорость их падения.

Заряжение капель производилось их облучением X (икс)-лучами (так вначале называли лучи Рентгена).

При этом менялся электрический "вес" капельки: капли начинали падать быстрее пли медленнее. В определенных условиях их можно было заставить даже подниматься вверх.