В самом начале 30-х годов были построены линейные ускорители, где заряженные частицы двигались прямолинейно в электрическом поле, приобретая все большую скорость. Почти одновременно появились циклические ускорители — циклотроны. В них заряженная частица движется по окружности в магнитном поле, перпендикулярном плоскости, в которой отта обращается.
Она периодически проходит через промежутки, в которых имеется электрическое поле, и здесь это поле каждый раз увеличивает скорость и соответственно энергию частицы. Частица движется как бы по спирали, точнее, по окружностям все большего радиуса, и поэтому она, несмотря на растущую скорость, проходит ускоряющие промежутки через равные интервалы времени. Таким путем частицам сообщали энергии порядка десяти миллионов эв.
Но при высоких энергиях в игру вступают соотношения теории относительности — зависимость массы от скорости. Масса частицы растет, и это нарушает синхронность прохождений частицы через ускоряющие промежутки и максимум, высокочастотного электрического поля в этих промежутках. В 1944 г. В. И. Векслер и в 1945 г. Мак-Миллан предложили компенсировать релятивистское увеличение массы частиц сооответствующим возрастанием магнитного поля или уменьшением частоты электрического поля в ускоряющих промежутках. В 40-е годы релятивистская масса частиц в ускорителях стала достигать очень больших значений. В появившихся в 1940 г. бетатронах — ускорителях электронов — скорость последних при энергии 2 млн. эв составляет 0,98 скорости света и масса становится значительно больше массы покоя. Но и такие тяжелые частицы, как протоны, испытывают значительное возрастание массы при больших энергиях, применявшихся в 40-е годы и позже. Возможность компенсации релятивистского эффекта привела к появлению использующих такую возможность очень мощных ускорителей. Среди них находились и синхротроны и другие циклические ускорители, сообщавшие протонам энергии в миллиарды электронвольт. С помощью ускорителей, с одной стороны, и наблюдений над частицами космического излучения, с другой, было открыто множество новых частиц и множество процессов распада и порождения этих частиц.
Надежды на теорию элементарных частиц, которая объяснит это разнообразие, исходя из единого и, по-видимому, совершенно нового принципа, связаны с ускорителями, которые будут придавать частицам еще более высокие энергии. Речь идет о фундаментальных вопросах, на которые, как мы надеемся, ответят эксперименты с участием частиц, обладающих энергиями 200—1000 млрд. эв. В перечислении этих вопросов и в гадательной оценке эффекта их решения и состоит прогноз на ближайшие десятилетия. В нем, в этом прогнозе, недостает главного звена — предвидения самого решения, ответов природы на заданные ей вопросы. Столь же неопределенными, может быть еще более неопределенными, являются соображения об эффекте этих решений. Как замечает Бруно Понтекорво, из фундаментального характера физики элементарных частиц следует неожиданность открытий в этой области. «Потому, — пишет он, — вопрос о практическом применении в народном хозяйстве результатов исследований, скажем, на данном ускорителе высокой энергии — почти незаконный вопрос»[78] Действительно, для экстенсивных исследований открытия могут быть отчасти предсказаны — они идут по линии уже известных принципов и идеалов науки, и цель их состоит в объяснении явлений в свете этих уже известных принципов. Но если цель исследования как раз и состоит в поисках новых принципов?
Отсюда как будто следует, что обоснование плана строительства новых более мощных ускорителей — задача принципиально неразрешимая. Под обоснованием нельзя понимать простую ссылку на общность и глубину вопросов, адресованных природе физикой высоких энергий. Нужно показать, что эта общность и глубина при всей неопределенности возможных ответов характеризует место физики высоких энергий среди сил, обеспечивающих развитие цивилизации. По-видимому, обобщение показателей цивилизации, превращение их в динамические показатели, включение в эти показатели производных различного порядка по времени позволяют найти такое место.
С этой точки зрения мы и взглянем на вопросы, которые призвана разрешить (при этом подтвердить или отвергнуть самый смысл этих вопросов) физика высоких энергий.
Первый вопрос — о границах пространственно-временного, в общем случае релятивистского объяснения природы. Вероятно, этот вопрос о границах релятивистской причинности совпадает с вопросом о дискретности пространства-времени. Такая дискретность имеет физический смысл в духе «принципа бытия», т. е. не сводится к геометрической проблеме прерывного абстрактного пространства, если в каких-то минимальных ячейках происходят события, несводимые к движению частиц. Поэтому первый вопрос естественно переходит во второй: в чем состоят ультрарелятивистские события, ставящие предел релятивистской причинности в очень малых областях, и как они связаны с релятивистскими процессами в больших областях?
Из этих проблем вытекают другие, которые на первый взгляд кажутся частными, но, вероятно, не могут быть решены каждая в отдельности и требуют общей теории. Такова проблема уже известной нам гейзенберговской /S'-матрицы. Нишиджима говорит, что элемент этой матрицы можно представить себе в виде ящика, в который входят и из которого выходят частицы [79]. Что происходит внутри этого ящика? Какие фундаментальные взаимодействия разыгрываются в нем? Почему они не допускают пространственно-временного представления?
К квазичастным проблемам принадлежат вопросы о природе взаимодействий — сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных. Состоят ли сильно взаимодействующие частицы из частиц большей массы, спрессованных очень сильными взаимодействиями, уменьшающими совокупную массу до наблюдаемой у известных нам частиц? Гипотеза максимонов ссылается на гравитационные, т. е. ультраслабые при обычных условиях, взаимодействия, которые спрессовывают тяжелые частицы в более легкие и, таким образом, ответственны за фундаментальные трансмутации.
Слабые взаимодействия загадочны во многих отношениях. Мы не можем сейчас объяснить, почему при слабых взаимодействиях частицы ведут себя иначе, чем при сильных, и есть основание надеяться, что на малых расстояниях и соответственно при высоких энергиях их существование и поведение будут подчинены общим законам. В частности, есть основание думать, что при высоких энергиях, порядка сотен миллиардов электрон-вольт, может быть найдена частица, переносящая слабые взаимодействия, подобно тому как фотон переносит электромагнитные взаимодействия, а пион — сильные взаимодействия нуклонов. Эта еще не найденная промежуточная частица, переносящая слабые взаимодействия, уже получила название и обозначается буквой W Она может быть найдена в свободном состоянии, если при столкновениях, в результате которых появится W, частицы будут обладать большей энергией, чем ее энергия покоя, т. е. ее масса покоя, умноженная на квадрат скорости света.
Но для таких соударений нужна гораздо большая энергия частиц в ускорителе: для частиц W — порядка сотен миллиардов электронвольт.
Подобные квазичастные вопросы сводятся в конце концов к следующему: почему в природе одни частицы взаимодействуют так, а другие иначе, почему одни частицы — протон, нейтрон и электрон — образуют окружающую нас материю, а другие частицы, в том числе их античастицы, на Земле в обычных условиях почти не встречаются, почему частицы обладают именно такими, а не иными массами и зарядами — одним словом, почему микромир (а вместе с ним и космос) создан таким, а не иным? Этот вопрос аналогичен вопросу Кеплера: почему планеты обладают такими, а не иными расстояниями от Солнца? Он аналогичен в еще большей мере вопросу: почему элементы имеют такие, а не иные валентности и атомные веса? На этот вопрос ответила квантовая механика, объяснив, почему электроны располагаются в определенном числе на каждой из орбит, почему нарушается правильная периодичность и т. д. В теории элементарных частиц сделаны только первые шаги для построения системы, аналогичной системе Менделеева. Уже есть первый успех: несколько частиц было предсказано на основе угадываемой систематизации сильно взаимодействующих частиц, и затем они были обнаружены экспериментально.[80] Но система элементарных частиц, стоящая по своей однозначности на уровне физически расшифрованной таблицы Менделеева, требует перехода через новый энергетический порог.
