Александр Волков - Тайны открытий XX века

А.В. ВОЛКОВ

ТАЙНЫ ОТКРЫТИЙ XX ВЕКА

1.1. ФИЗИКА НА РУБЕЖЕ ТЫСЯЧЕЛЕТИЙ

В конце XIX века ученые верили, что в физике все открыто. Однако именно в ближайшие десятилетия были созданы и общая теория относительности, и квантовая механика. Но и эти прозрения не исчерпали таинственной сущности физики. Прежние проблемы разрешились, и появились десятки других. С каждым новым открытием ученые приближаются все к новым загадкам, феноменам, которые не поддаются объяснению. Непонятное подстерегает нас и в космической дали, и в глубинах материи, и в повседневной жизни. Только за последнее десятилетие были сделаны два важных открытия: обнаружены топ-кварки и определена масса нейтрино. А сколько еще предстоит открыть! Похоже, что XXI век вновь будет «веком физики».

Внешний мир представляет собой нечто не зависящее от нас, абсолютное, чему противостоим мы, а поиски законов, относящихся к этому абсолютному, представляются мне самой прекрасной задачей в жизни ученого.

Мы плохо представляем себе положение дел в физике в канун великого открытия Эйнштейна. Тогда казалось, что после XIX века — века открытий, века Максвелла и Фарадея, Ома и Гельмгольца — в этой науке почти не осталось тайн. Профессия физика превращалась на глазах современников в нечто рутинное.

Знаете ли вы, что знаменитый современник Эйнштейна, Макс Планк, мог бы и не стать физиком? Он подумывал о карьере музыканта или классического филолога, хотя, в конце концов, выбрал физику, вопреки советам знакомых, в том числе декана факультета физики Мюнхенского университета Филиппа фон Жолли. Тот считал, что в этой науке почти все открыто и разве что осталось уточнить некоторые частности, например в области термодинамики.

Когда декан, вспоминал Макс Планк, «рассказывал мне об условиях и перспективах моей учебы, он изобразил мне физику как едва ли не полностью исчерпанную науку, которая теперь… близка, по-видимому, к тому, чтобы принять окончательную стабильную форму. Вероятно, в том или ином углу есть еще пылинка или пузырек, которые можно исследовать и классифицировать, но система как целое построена довольно прочно, и теоретическая физика заметно приближается к той степени законченности, какой, например, обладает геометрия уже в течение столетий».

Действительно, в канун XX века многие ученые были убеждены в том, что время главных открытий в физике прошло. Ее здание было почти достроено. Однако перспектива рутинной работы — «время открытий прошло!» — не смутило ни Планка, ни молодого Эйнштейна. Тупик физической науки оказался преддверием…

Вскоре Макс Планк защитит диссертацию, посвященную необратимости процессов теплопередачи, создаст классическую теорию теплового излучения, а затем и квантовую теорию, а его соратник и соперник Эйнштейн — общую теорию относительности.

Однако даже эти открытия не исчерпали таинственной сущности физики. Прежние проблемы разрешились, но появились десятки других. Сегодня никто из физиков не рискнет утверждать, что в их науке скоро не останется «белых пятен». С каждым новым открытием ученые приближаются — нет, не к завершению «строительства здания физической науки», — а к новым загадкам, феноменам, которые не поддаются объяснению. Непонятное подстерегает нас и в космической дали, и в глубинах материи, и в повседневной жизни.

Вот один из «крепких орешков», с которыми предстоит справиться физикам-теоретикам: природа темной материи и темной энергии — неизвестных видов материи, составляющих большую часть мироздания. Что скрывается за этими таинственными источниками гравитации — этим незримым каркасом, скрепляющим Вселенную, не дающим ей распасться? Этого никто пока не знает.

Другая загадка — вопиющая несовместимость двух столпов современной физики: квантовой механики и общей теории относительности. Причина кроется, прежде всего, в загадочной природе силы гравитации. Похоже, она разительно отличается от трех остальных видов физических взаимодействий: электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.

На протяжении десятилетий ученые вынуждены использовать Стандартную модель мироздания, созданную в 1961 году и описывающую элементарные частицы и их взаимодействия, использовать, понимая всю ее ограниченность, понимая, что она — лишь частный случай какой-то более общей модели, которая опишет все мироздание во всей его сложности и целостности. Она не дает ответа на целый ряд вопросов, возникающих перед учеными. Кроме того, она не отличается внутренней стройностью и симметрией, то бишь красотой, как того требует идеальная физическая теория.

«Она очень причудлива; в ней слишком много Византийщины, чтобы она могла вместить всю истину мироздания», — так велеречиво отозвался о ней Крис Л. Смит, бывший генеральный директор CERN, Европейского центра физики элементарных частиц. Так, Стандартная модель, эта «Менделеевская таблица микромира», содержит около двух десятков натуральных констант, в том числе значения массы частиц. Все эти константы нельзя определить с помощью теоретических расчетов; их надо измерять экспериментальным путем. Но ведь ни одна теория, в которой есть столько априори задаваемых параметров, не может считаться фундаментальной.

Девять из этих констант характеризуют массу покоя шести кварков и трех лептонов. Но Стандартная модель не отвечает на вопрос, почему большинство элементарных частиц обладают массой. Неясно также, почему в природе существует несколько фундаментальных взаимодействий, резко отличных по образу действия и интенсивности. Кроме того, одно из них — гравитационное — доставляет ученым особые хлопоты: его никак не удается включить в общую модель. Приходится «искусственным путем» вводить особую частицу — гравитон, якобы передающую гравитационное взаимодействие.

Согласно Стандартной модели, существуют 12 вещественных частиц, фермионов, — шесть лептонов и шесть кварков. Однако весь видимый нами мир состоит фактически из четырех частиц: электронов и электронных нейтрино, которые в огромном количестве образуются при ядерных реакциях, а также Up- и Down-кварков, из которых сложены нейтроны и протоны, составные части атомных ядер. Стандартная модель физики не может объяснить, почему существует 12 фермионов, хотя Природа ограничилась лишь четырьмя.

Однако вопреки сомнениям и возражениям, Стандартная модель остается основой современной физики. За ее развитие и доказательство присуждены более двадцати Нобелевских премий. Эта модель предрекла существование W- и Z-бозонов, и впоследствии они были найдены.

«Вот уже давно физиков занимает вопрос, что находится по ту сторону Стандартной модели», — выразил общие чаяния нобелевский лауреат Герардт Хуфт из Утрехтского университета. Но все многочисленные попытки вывести единую формулу мироздания, в существовании которой многие убеждены хотя бы по соображениям эстетики, до сих пор не принесли результата.

Не поддаются строгому научному объяснению даже некоторые, на первый взгляд, простые феномены: например, турбулентность, последняя великая загадка классической физики. А ведь турбулентность играет важную роль при расчете воздушных потоков, возникающих возле крыла самолета или корпуса автомобиля.

Загадкой остается и внутренняя природа твердых тел, обусловливающая такие их неожиданные свойства, как магнетизм или сверхпроводимость. Внутри твердых тел наблюдаются настолько сложные и разнообразные процессы взаимодействия атомов и электронов, что описать их с помощью формул или составить их точную модель не представляется пока возможным.

От топ-кварка до пентакварка

Пока…

Ведь за минувшее десятилетие, например, получили объяснение некоторые физические феномены, которые долго представлялись загадочными.

Так, в начале 1990-х годов физики-экспериментаторы безуспешно пытались обнаружить топ-кварк — последнюю элементарную частицу, которая была предсказана Стандартной моделью мироздания и существование которой к тому времени не удавалось доказать.

Кварки — точечные частицы, скрывающиеся внутри протонов и нейтронов, — вызывают особый интерес у ученых. За их исследование вручено уже несколько Нобелевских премий, начиная с 1969 года, когда лауреатом этой премии стал американский физик Марри Гелл-Ман — человек, предположивший, что подобные частицы существуют.