8. На пути к единой фундаментальной теории материи

Вопрос о внутренней структуре материи («из чего все состоит?») является одним из главных в естествознании. Однако, несмотря на достигнутый в прошлом столетии прогресс в изучении этого вопроса, мы по-прежнему еще не пришли к однозначному представлению о первоосновах материального мира. Более того, скорость увеличения достоверной информации в последнее время заметно уменьшилась, так как экспериментальное продвижение в глубь микромира требует колоссальных энергетических затрат, которые обеспечиваются гигантскими ускорителями. Подсчитано, что если энергия, доступная в лабораторных экспериментах, будет по-прежнему увеличиваться на порядок величины каждое десятилетие (как это имело место в недавнем прошлом), то проверка некоторых современных теорий будет возможна лишь через ~ 200 лет.

Эти теории чрезвычайно сложны и настолько далеки от обычных макроскопических представлений, что даже поверхностное ознакомление с ними требует серьезной физико-математической подготовки. В результате между все более изолирующими себя специалистами в области физики микромира и остальной массой неискушенных в этих вопросах людей образуется глубокая пропасть, которая в ряде случаев влияет на прогресс науки в гораздо большей степени, чем недостаточная мощность экспериментальных установок. Дело в том, что невозможность понять и, следовательно, оценить достижения естествознания в этой области сопровождаются резким сокращением государственной поддержки, включая финансирование. Например, в 1993 году Конгресс США принял решение отказать в выделении 4 млрд. долларов на строительство ускорителя на встречных пучках (суперколлайдера), с помощью которого ученые надеялись проверить некоторые выводы современной теории элементарных частиц, в частности, обнаружить и исследовать предсказываемую этой теорией массивную частицу - бозон Хиггса. Мотивировался отказ тем, что «американский народ не интересуется массой хиггсовского бозона, у него есть более насущные проблемы, связанные с медициной, экологией и т.п.»¹. Недавно по аналогичной причине США вышли из крупнейшей международной программы, направленной на создание мощного термоядерного реактора. Примеров такого «прагматического» подхода к фундаментальным естественнонаучным проблемам в последнее время становится все больше, в том числе и в России.

Вместе с тем желание узнать, как устроен мир, заставляет простых людей обращаться к далеким от науки «теориям», насыщенным демагогическими, схоластическими спекуляциями и «сенсационными» выводами из них. Единственным выходом из этого порочного круга является пропаганда накопленных знаний и идей в области физики микромира в такой форме, которая была бы доступной для широкого круга людей.

8. 1. Становление субатомной физики

За столетие, прошедшее после открытия первой элементарной частицы - электрона (Дж.Дж. Томсон, 1997 г.), человечество узнало о структуре материи гораздо больше, чем за все предыдущие тысячелетия. Уже к концу первого десятилетия XX в. стало ясно, что «неделимый» атом имеет планетарную структуру (Э. Резерфорд, 1911 г.), в центре которой находится очень маленькое положительно заряженное ядро, окруженное «точечными» отрицательно заряженными электронами, последовательно заполняющими дискретные орбиты.

В 1996 году А. Беккерель открыл радиоактивность тяжелых элементов. Последующее исследование этого явления (П. и М. Кюри и другие) убедительно показало, что ядро, как и атом, имеет внутреннюю структуру. В 1919 году Э. Резерфорд надежно идентифицировал протон, а в 1932 году Дж. Чедвик обнаружил другую субъядерную частицу - нейтрон. Из этих двух частиц - их называют нуклонами - состоят, как тогда считалось, ядра атомов, причем число протонов определяет заряд ядра, а число нуклонов - его массу. В том же 1932 году произошло еще одно сенсационное событие в области физики элементарных частиц. Исследуя космические лучи, американский физик К. Андерсон впервые наблюдал позитроны, теоретически предсказанные П. Дираком в 1929 году.

Дальнейшее продвижение в глубь материи требовало существенной модернизации экспериментальных методов и создания мощных ускорителей. Дело в том, что размеры элементарных частиц чрезвычайно малы, например, радиус ядра составляет всего 10^-13 см, что в сто тысяч раз меньше самых маленьких атомов. Чтобы «увидеть» такие объекты (не глазом, конечно, а соответствующими приборами), необходимо «осветить» их потоком излучения или частиц с длиной волны, значительно (на один - два порядка) меньшей, чем размер исследуемого объекта. В противном случае дифракционные эффекты могут до неузнаваемости исказить получаемое «изображение». Аналогичная проблема в области исследования молекулярных структур успешно решается с помощью электронных микроскопов, в которых объект зондируется пучком быстрых, или, как говорят физики, жестких электронов. В соответствии с формулой де Бройля длина волны  такого электронного пучка определяется постоянной Планка h и импульсом электронов p = m_ev = , где E = eU - кинетическая энергия электронов, ускоренных напряжением U:

 = =. (8.1)

Если подставить в эту формулу известные значения постоянной Планка h, массы m_e и заряда e электрона, то зависимость длины волны  (в ангстремах = 10^-10 м) от напряжения U (в вольтах) можно записать в виде

 = . (8.2)

Из этого выражения видно, что применяемым в современных электронных микроскопах ускоряющим напряжениям U ~ 10⁵ - 10⁶ В, соответствуют длины волн ~ 0,01 - 0,04 ангстрем. С пучками, имеющими такую длину волны, можно изучать молекулярные и даже атомные структуры, когда требуется разрешение порядка ангстрема. Однако, очевидно, что для исследования элементарных частиц, имеющих субъядерные размеры порядка 10^-13 см и меньше, необходимы в миллиарды раз более мощные пучки. С этой целью и создаются ускорители, в которых пучки электронов или более тяжелых частиц (протонов, нейтронов и т.п.) многократно проходят область ускоряющего напряжения. Энергии таких пучков настолько велики, что позволяют не только «рассматривать», но и «дробить» исследуемые объекты, в том числе и элементарные частицы. Используемые для экспериментов в этой области гигантские ускорители поражают своим весом, размерами и стоимостью. В определенном смысле их можно назвать «пирамидами ХХ века».