Вот они, законы сохранения, в действии. Но чтобы показать незыблемость и неукоснительность выполнения этих законов, обратимся к конкретному примеру из недавней истории физики высоких энергий.
Частицы со странностью
Открытие было сделано в 1947 году. Регистрируя космические лучи в камере Вильсона, ученые обнаружили следы подозрительных частиц.
Затем два года поиски этих частиц шли безуспешно.
Пришельцы из космоса больше не появлялись. И только после того, как камеру подняли высоко в горы, где интенсивность космических лучей заведомо больше, новые частицы стали регистрировать уже почти ежедневно.
Так (позже перешли к исследованиям на ускорителях) были открыты элементарные частицы нового класса — нейтральный лямбда (Л) — гиперон, К-мезоны, антисигма-минус-гиперон (2~) и другие.
Семейка эта надолго приковала внимание исследователей своими необычными свойствами. Прежде всего подозрительным было время их жизни — 10-10 секунды.
Неспециалист, узнав про этот факт, может подумать: «Да, действительно, я не могу представить себе, каким образом какой-либо объект может разваливаться так быстро».
Однако загадка была совсем в другом. Не в том, что новые частицы распадались так быстро, а, наоборот, почему это они живут в миллионы миллионов раз больше, чем известные до того частицы той же «весовой категории» (близкие по массе и свойствам).
Для физиков это было так же неожиданно, как если бы они встретили на улице человека, прожившего 100 тысяч лет, или, скажем, слона с крылышками и на курьих ножках.
Другое интригующее свойство новых частиц заключалось в том, что они появлялись только парами (иногда, правда, и в большем количестве). Но никогда не наблюдались поодиночке или в паре с нормальными частицами.
Чувствовалось: эти «новенькие» обладали каким-то особым, дотоле неведомым, свойством. Действовал какой-то новый закон сохранения.
Из обычных коровы и льва (вспомним манипуляции физика в прошлой главке) можно смастерить двуногого льва и шестиногую корову, но никак нельзя их обоих сделать двуногими или двуглавыми — не позволяет закон «сохранения частей тела».
Вот и у новых частиц было нечто — обозначим это «нечто» буквой S, — что обязано было сохраняться.
Рассуждения тут таковы. У исходных обычных частиц S = 0, а у родившейся в результате ядерных метаморфоз пары необычных частиц значения S уже отличаются от нуля: они равны по абсолютной величине, но отличаются знаками. Скажем, у одной частицы S = +1, у другой S = -1, давая в сумме (закон сохранения частей тела!) тот же ноль.
Так к труднопонимаемым терминам — барионный заряд, спины и т. д. добавился еще один. И человек, сформулировав закон сохранения вот этой странности, сделал еще один шаг в область, куда обыденному, привычному, вход настрого запрещен.
С легкой руки М. Гелл-Мана новое свойство элементарных частиц стали называть «странностью» (Strange, здесь и истоки обозначения S). Так слово «странность» перестало обозначать только удивление парадоксами микромира, превратившись в узаконенное физическое понятие. Странность как бы материализовалась!
Открытие это, естественно, нашло отражение и в концепции кварков. Один из знаменитой тройки — А-кварк — пришлось наделить еще и странностью (два других кварка, р и п, физики считают не странными). Поэтому, к примеру, положительно заряженный К-мезон (частица странная) должна состоять из р-кварка и А-антикварка — носителя странности.
И еще одно обстоятельство делает странность поистине странной. Быстро выяснилось, что в отличие от других строгих законов сохранения странность иногда сохраняется, иногда нет.
При сильных (ядерные силы) или электромагнитных взаимодействиях суммарная странность всегда сохраняется. Однако процессы со слабым взаимодействием идут (сюрприз для физиков) с нарушением странности.
Было о чем задуматься ученым мудрецам!
…И посрамил черта
В мифах древних греков говорится о кентавре — получеловеке-полулошади. Таким же кентавром среди элементарных частиц выглядит и кварк. А ведь кварки, как надеялись физики, должны были представлять собой самые простейшие частицы!
Кентавр человеку кажется лошадью, а лошади, должно быть, — человеком. На самом деле он похож (хоть его никто и не видел) и на лошадь, и на человека. Но в любом случае можно сказать, каков он. Эта определенность, как мы убедимся далее, отличает человеческие фантазии от фантазий природы.
Писатели, поэты, просто мечтатели не раз пытались в своих грезах выйти за пределы немного, создать образы немыслимого И на первый взгляд им это удавалось. Вот образчики.
Перо англичанина Д. Биссета сотворило крококота.
(В повести «Забытый день рождения» писатель пишет: «Одна половина у мистера Крококота была котом, другая — крокодилом. Он был единственным в своем роде крококотом и жил очень уединенно в небольшой пещере посредине Африки и ни с кем никогда не виделся».) Это существо, которому славно жить, ибо ему всегда есть кому сказать «спокойной ночи»…
Другой пример — нагромождение несуразиц французского поэта-символиста Ж. Кокто в произведении «Моя неверная подруга»: «…Оставляешь лицо, хоть ты и закрыла его на ключ, как комнату, и здесь от тебя ничего не осталось, лишь кудрявый череп твой. Поцелую тебя, обниму колени, но ты воспаришь, покинешь себя, как привидение поднимается над крышей».
Сколько ни напрягали свое воображение служители муз, на наш взгляд, цели они не достигли. Созданное ими напоминает старое бабушкино одеяло, сметанное из множества пестрых, уже знакомых ее внукам лоскутков.
В этих писательских «кентаврах» сгруппированы, скомбинированы фрагменты легко узнаваемые, встречаемые нами в повседневности в той или иной мере на каждом шагу. Нового качества не получилось! Но то, что было не под силу человеку, с тем шутя справилась непревзойденная выдумщица — природа.
Электрон шарику представляется волной, волне — шариком. Однако на деле он и не волна, и не частица: он электрон! Микросущество, только кажущееся простым.
Электрон, как доказывает физика, представляет собой логический абсурд. Его парадоксы вскрыты квантовой механикой.
Законы квантовой механики необычны. Самый, пожалуй, наглядный пример это исчезновение в микромире понятия «траектория».
Бегущий мимо нас кентавр удивил бы нас, но мы могли бы точно (следы!) указать путь, которым он следовал. С электроном это принципиально сделать нельзя.
По И. Ньютону (классические представления), мир похож на четко вычерченную сеть железных дорог: по ним строго по расписанию мчатся поезда-частицы.
В квантовой же механике эта картина размазывается, расплывается, словно мы рассматриваем ее в плохо сфокусированный бинокль. И частицу теперь можно обнаружить в любой точке любой траектории, соединяющей начало и конец ее пути. Будто бы частица движется сразу по всем траекториям!
Тут человек, будь он электроном, мог бы войти в зал одновременно через две двери и столкнуться лбом с самим собой!
Старые взгляды рушились. Молодежь шутила:. «Даже сама природа не знает пути, по которому полетит электрон…» «Что ж, по четным дням недели будем пользоваться уравнениями Ньютона, а по нечетным — доказывать, что эти уравнения не верны…»
Старшее же поколение физиков восприняло новации трагически. Нидерландский физик X. Лоренц (1853–1928), создатель электронной теории, автор классической монографии «Теория электронов» (1909 год) («В вачале нашего столетия физики-теоретики всего мира с полным правом смотрели на X. Лоренца как на своего наставника», — писали о нем в 1953 году), в 1924 году с горечью писал: «Где же истина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения? Способны ли мы ьообще узнать истину и имеет ли смысл заниматься наукой? Я потерял уверенность, что моя научная работа вела к объективной истине, и я не знаю, зачем жил; жалею только, что не умер пять лет назад, когда все мне еще представлялось ясным».
