Загадки микромира

Таким затишьем кажется современный период в теории элементарных частиц. Но достаточно полистать научные журналы, поговорить с теоретиками, как начинаешь ощущать, какую напряженную работу они ведут, как досконально изучаются экспериментальные результаты, как много попыток делается для их объяснения. Ведь как раз из них, из этих еще не отшлифованных теоретической мыслью опытных данных, и предстоит возвести следующий этаж науки.

Ученые пока не знают, как это сделать, но уже видят отдельные детали новой теории.

Несомненно, что за порогом этой нарождающейся теории останется устаревшее понятие о точечной частице. Точка — это то, что не делится на части. Элементарные частицы будто бы подходят под это определение — никто еще не наблюдал пол-электрона или треть нейтрона. Но при столкновении частиц высокой энергии рождается целый набор новых частиц. Так что же такое элементарная частица? Простейший, точечный кирпичик или сложная система?

Вспомните, какие вести принесли электронные снаряды, впервые приблизившиеся «вплотную» к нуклонам? Какую сенсацию вызвало открытие электронной структуры протона, нейтрона, определение их пространственных размеров! А обнаружение партонов?!

Но в теории все частицы продолжают фигурировать как точечные. Частично вследствие этого и получаются бесконечные величины при вычислении массы частиц. Как ввести в теорию новое понятие «элементарная частица», наполненное всем тем, что известно о ней из опыта?

Не лучше обстоит дело с координатой частицы. Принцип неопределенности В. Гейзенберга показывает, что в микромире нельзя одновременно измерить координату и импульс частицы. Но точность значений каждой из этих величин в отдельности не лимитируется.

Допустим, нам надо измерить координату протона. Что делать? Любой экспериментатор подскажет, что местонахождение протона можно установить по рассеянию падающих на него гамма-квантов. Воспользуемся его советом. Ясно, что чем ближе подойдут гамма-кванты к частице, тем с большей точностью мы определим ее координату. Но это под силу только квантам с большой энергией. Ну что ж, предположим, что мы раздобыли и такие и радуемся в предвкушении точнейшего эксперимента. Но что такое? Из водородной мишени, которую мы поместили в пучок гамма-квантов самой большой энергии, во все стороны разлетаются новые протоны и антипротоны. Возникают такие же частицы, координаты которых мы измеряем. Теперь и не разберешься, где старый протон, а где новый.

«В основе новой теории, по моему мнению, — писал И. Тамм, — будет лежать принципиальное ограничение точности значения координаты, взятой самой по себе, вне зависимости от импульса».

Значит, и старое понятие координаты частицы не выдерживает испытания в физике элементарных частиц.

Некоторые ученые предполагают, что в ультрамалых масштабах пространство окажется не непрерывным, а дискретным. На основе гипотезы о существовании элементарной длины пространства делаются попытки построения новой теории. Но реальный успех этих идей пока невелик.

Вот в этом и драматизм построения новой теории! Где-то впереди прекрасным видением с неясными, расплывчатыми контурами светится великолепный дворец физики элементарных частиц. А в реальных обстоятельствах перед физиками лежит неразобранная груда экспериментальных результатов. И что делать с этим строительным материалом, ученые пока еще не знают.

Не будем детективами

В кинофильме «Бриллиантовая рука» один из его героев, небезызвестный Семен Семенович, так рассказывал о случившейся с ним беде: «Поскользнулся, упал, потерял сознание, очнулся — на руке гипс».

Приблизительно то же самое расскажет вам о ядерной реакции экспериментатор: «Бросил протоны большой энергии на вещество, столкнулись две частицы, что там при этом происходило — не знаю, смотрю — счетчики регистрируют новые частицы».

Принципиальная разница между тем и другим рассказами только в том, что Семен Семенович на самом-то деле видел, что делали с его рукой, а физика обвинить в лукавстве нельзя.

Конечно, ученые не занимаются пересказыванием подобных историй. Они пишут научные статьи и делают доклады, облеченные в строгую математическую форму теории S-матрицы.

Но ни строгая форма, ни внушающее уважение название не могут, да и не пытаются, скрыть главное: полное отсутствие сведений о самом процессе столкновения.

Физик, помещая водородную мишень в пучок протонов, точно знает, что сейчас произойдет столкновение ускоренного протона с протоном, находящимся в мишени. Вот начальные условия реакции. Помните: «Поскользнулся, упал…» Стоп! Все выходят из зала. Включается ускоритель. Электрическое поле все быстрее и быстрее подгоняет частицы. Наконец, гигантская праща выпускает их на свободу. Столкновение!

Но разве это слово содержит в себе иную информацию, кроме той, что на огромной скорости встретились два основных «гражданина» микромира? А как они встретились? Какие промежуточные частицы возникли? Какие снова поглотились?