Роль эксперимента в современной физике

 

Л.М.Барков

 

Вопрос о роли эксперимента в физике, казалось бы, очень простой, и ни у кого не вызывает сомнений, что эксперимент является фундаментом, на котором построены все наши представления о структуре окружающего нас мира. Однако, вопрос этот не так прост, если рассматривать его с точки зрения вечного спора между теоретиками и экспериментаторами по поводу того, что важнее: теория или эксперимент.

Прежде всего уточним, что имеется в виду, когда речь идет о теории и эксперименте. Согласно Советскому энциклопедическому словарю (М.: Сов. энциклопедия, 1980), эксперимент – это чувственно-предметная деятельность в науке (с. 1551), а теория – это система основных идей в той или иной отрасли знания (с. 1330), причем практика, т.е. эксперимент, является критерием истинности и основой развития теории.

Поскольку я работаю в области ядерной физики и физики элементарных частиц уже более 50 лет, мне легко проследить, как теоретики и экспериментаторы, тесно взаимодействуя друг с другом, открыли целый мир элементарных частиц, о существовании которого каких-то 100 лет назад ученые даже не догадывались. Около 100 лет назад, в самом конце XIX в., были открыты электрон и радиоактивность атомов. До этого считалось, что атомы неделимы. Однако то, как устроены атомы, оставалось непонятым. Только после опытов по рассеянию альфа-частиц на атомах золота, проведенных Резерфордом в 1912 г., стало очевидно, что в центре атома находится массивное положительно заряженное ядро размером, в десятки тысяч раз меньшим, чем размер атома. Попытка объяснить строение атомов была предпринята Н.Бором, сформулировавшим постулаты, согласно которым электроны в атомах могут двигаться во­круг ядра только по фиксированным орбитам. Но модель Бора оставляла без объяснения вопрос, почему электроны не падают на ядро из-за электромагнитного излучения.

Только после создания квантовой волновой механики удалось сформулировать теорию, последовательно и с высокой точностью описывающую строение атомов. Квантовая механика с ее непривычными с точки зрения классической физики представлениями о волновой природе движения частиц, в том числе точечных, была в конце концов признана правильной, так как ее и только ее предсказания соответствовали результатам бесчисленных экспериментов. Для описания движения частиц квантовая механика использует комплексные волновые функции, без которых не удается описать, например, прохождение точечного объекта, падающего на непрозрачный экран с двумя щелями так, как будто он проходит через обе щели одновременно. Человек, привыкший воспринимать природу через чувственно-предметную деятельность, долго привыкал к новым представлениям о сущности процессов в микро­мире. Несмотря на то что квантовая механика продемонстрировала свою способность рассчитывать процессы, происходящие в микромире, ощущение недопонимания внутренних основ этой загадочной теории остается. Главный параметр теории – постоянная Планка – до сих пор известен только из эксперимента.

После создания квантовой механики последовало открытие нейтрона, в результате чего стало ясно, что ядра состоят из нейтронов и протонов, связанных сильными ядерными силами. Примерно в то же время была создана теория бета-распада, в которой было введено представление о новом виде взаимодействий – так называемых слабых взаимодействиях, приводящих к тому, что из ядер вылетают электроны и нейтрино – нейтральные частицы с полуцелым спином и массой, близкой к нулю. Перед войной было открыто деление ядер, после чего наступил “золотой век” ядерной физики. Было создано ядерное оружие невиданной разрушительной силы, правительства ряда стран стали выделять очень большие деньги на работы в области ядерной физики. Стали строиться ускорители частиц высоких энергий для изучения ядерных сил, действующих между ядрами и открытыми к тому времени элементарными частицами.

Поскольку сразу после войны в космических лучах были обнаружены предсказанные японским теоретиком Юкавой кванты поля ядерных сил – пионы, от новых экспериментов не ждали новых крупных открытий. Многим казалось, что главные частицы, из которых состоит окружающая нас материя, уже открыты, а другие не нужны. Так, никому не был нужен открытый в космических лучах мюон, который первоначально приняли за предсказанный Юкавой квант поля ядерных сил. Оказалось, что он, как и электрон, не обладает ядерными взаимодействиями, но в 200 раз его тяжелее и распадается за две микросекунды на электрон и два нейтрино. Но после того как в космических лучах обнаружили так называемые странные частицы, странность которых заключалась в том, что они охотно рождались при взаимодействии первичных космических частиц и неохотно распадались на сильно взаимодействующие более легкие частицы, стали искать их и на ускорителях. Последовало открытие за открытием, и в течение примерно 20 лет было от­крыто несколько сотен элементарных частиц. Некоторые были довольно долгоживущие, некоторые – короткоживущие.

Если вспомнить пору, когда Эйнштейн сделал свои великие открытия, то он говорил тогда, что ему достаточно знать массу электрона, чтобы построить всю систему мироздания. В те далекие времена многим казалось, что мир устроен очень просто. Как показало развитие физики, мир устроен очень непросто. Физика элементарных частиц дала много примеров того, как наивные утверждения о простоте или о “красивости” заводили ученых в тупик. Дело еще и в том, что научных гипотез, объясняющих экспериментальные данные, обычно несколько и лишь одна из них, единственно верная, со временем становится научной теорией. Только эксперимент позволяет найти правильный путь в познании законов природы. Можно привести много примеров теоретических построений, которые пошли “в корзину”, поскольку они противоречили при проверке данным эксперимента. Каждая новая теория, в сущности, является гипотезой, теорией она становится после того, как ее предсказания подтверждаются в экспериментах. При этом есть теории, роль которых сводится в основном к систематизации накопленных экспериментальных данных, и они, разумеется, могут быть очень полезны. А есть и такие, которые, опираясь на экспериментальные данные, предсказывают явления, невероятные с точки зрения сложившихся ранее представлений.

Примерами такой теории являются специальная теория относительности Эйнштейна, квантовая механика и квантовая электродинамика. Если созданию квантовой механики предшествовал долгий период мучительных поисков теории, объясняющей большое количество экспериментальных фактов, относящихся к строению атомов и атомным переходам, то квантовая электродинамика возникла для объяснения результатов измерения лэмбовского сдвига в атоме водорода уже в конце 40‑х годов. Дело в том, что к этому времени была освоена и хорошо проверена на опыте не только обычная квантовая механика, но и уравнение Дирака, описывающее на очень высоком уровне точности поведение частиц с полуцелым спином, таких как электрон. Оказалось, что в кулоновском поле заряженных частиц происходят удивительные процессы рождения виртуальных частиц – фотонов и электрон-позитронных пар, в результате чего точечные частицы окружаются, особенно на самых малых расстояниях, облаком виртуальных частиц.

Эксперименты по измерению лэмбовского сдвига продолжались не один десяток лет и со все возрастающей точностью подтверждали правильность новой теории – квантовой электродинамики, которая сегодня считается самой совершенной теорией, описывающей электромагнитные взаимодействия элементарных частиц. В настоящее время с помощью квантовой электродинамики рассчитана с точностью в одну миллиардную величина аномального магнитного момента электрона. С такой точностью удается оценить распределение зарядов и токов в облаке виртуальных частиц вокруг точечного электрона, из-за наличия которых и возникает аномальный магнитный момент. Оказалось, что результаты одного из самых точных теоретических расчетов совпадают с экспериментом, являющимся одним из самых точных в физике элементарных частиц. Такого рода теории по своей созидательной силе не уступают эксперименту. Первоначально трудно поверить, что природа устроена именно так.

Другим красивым примером сложной и удивительной теории является теория кварков, которая гласит, что все сильновзаимодействующие элементарные частицы сделаны из особых частиц – кварков, имеющих полуцелый спин, дробный заряд, равный 1/3 или 2/3 заряда электрона. Согласно кварковой модели протон состоит из двух u-кварков с зарядом +2/3 и одного d-кварка с зарядом –1/3, а нейтрон – из одного u- и двух d-кварков. Каждый кварк обладает барионным зарядом 1/3, так что протоны и нейтроны имеют единичный барионный заряд, который строго сохраняется при всех взаимодействиях. Мезоны состоят из кварка и антикварка. Например, положительно заряженный пион состоит из u-кварка и анти-d-кварка. Пикантность ситуации заключается в том, что экспериментально ни тогда, ни позднее никаких частиц с дробным зарядом в свободном состоянии не было обнаружено, несмотря на большое количество экспериментов по их поиску. Прошло несколько десятилетий, прежде чем скептически мыслящие ученые смирились с этой теорией, видя, что ей нечего противопоставить и что только ее предсказания соответствуют результатам эксперимента.

С помощью теории кварков удалось провести всю классификацию элементарных частиц. Правда, для спасения принципа Паули, запрещающего частицам с полуцелым спином находиться в одном квантовом состоянии, пришлось ввести понятие “цвет”, так что каждый кварк может находиться в трех цветовых состояниях. Только при этом дополнении удалось классифицировать все наблюдаемые на опыте элементарные частицы. Наличие трех цветовых состояний у кварков было позднее подтверждено в экспериментах на встречных электрон-позитронных пучках, когда оказалось, что количество рождающихся при аннигиляции частиц, расчитанное по формулам квантовой электродинамики, требует утроения числа каналов аннигиляции.

Согласно теории кварков взаимодействие между ними осуществляется глюонами – цветными безмассовыми частицами со спином 0 или 1. В соответствии с кварковой моделью кварки не могут наблюдаться в свободном состоянии именно из-за наличия цвета у каждого отдельного кварка. В свободном состоянии могут находиться составленные из кварков частицы, только в бесцветном состоянии. Так, протон и нейтрон составлены из красного, синего и желтого кварка, так что цвет протонов и нейтронов оказывается белым. Помимо двух главных кварков, из которых построены протоны, нейтроны и пионы, открыто еще четыре более тяжелых кварка – s, c, b и t-кварки. Самый тяжелый из них примерно в 200 раз тяжелее протона.

Силы взаимодействия между кварками оказались непохожими на другие известные силы. Гравитационные и электрические силы квадратично спадают с расстоянием, короткодействующие ядерные – экспоненциально, а силы, действующие между кварками, не уменьшаются при увеличении расстояния между двумя кварками. Поэтому, когда, например, на установках со встречными пучками происходит аннигиляция электронов и позитронов и в результате образуются кварк и антикварк, их разлет тормозится за счет силы притяжения, не спадающей с увеличением расстояния. Такое поведение силы соответствует появлению натянутой струны. Чем большей кинетической энергией обладают родившиеся при аннигиляции кварки, тем дальше они могли бы разлететься. Но когда запасенная в струне энергия оказывается достаточной для образования пар кварков и антикварков нужных цветов, вся конструкция немедленно превращается в бесцветные мезоны, и именно они наблюдаются в экспериментах. Когда энергия частиц в коллайдере очень велика, родившиеся мезоны вылетают в виде двух струй, летящих в направлении движения двух первоначально родившихся кварков. Распределения частиц по углам вылета и по энергиям согласуется с ожидаемым.

Такая теория, описывающая поведение сильновзаимодействующих частиц – адронов и названная квантовой хромодинамикой, безукоризненно описывает огромный объем экспериментальных данных, накопленных при изучении свойств сотен элементарных частиц, их взаимодействий и взаимных превращений. Но главный аргумент, свидетельствующий в пользу ее правильности, состоит в том, что все ее предсказания экспериментально подтверждаются.

Параллельно со становлением кварковой картины происходило накопление данных в секторе ядерно не взаимодействующих частиц – лептонов. Помимо электрона и мюона со своими электронным и мюонным нейтрино был открыт тау-лептон, в 3,5 тыс. раз более тяжелый, чем электрон, распадающийся по большому количеству каналов на более легкие элементарные частицы, но обязательно с участием своего тау-нейтрино. Таким образом, число лептонов оказалось равным числу кварков, что послужило основанием для гипотезы о симметрии в секторе лептонов и кварков.

Еще один революционный скачок в понимании законов природы произошел после того, как Вайнберг и Салам сформулировали гипотезу о единой теории электромагнитного и слабого взаимодествия, согласно которой вся разница связана с массой квантов поля – переносчиков слабого и электромагнитного взаимодействий. Согласно модели переносчиком электромагнитного взаимодействия является безмассовый фотон, а слабого – его “родные братья”, векторные заряженные W-бозоны и ней­тральный Z-бозон с массой в 100 масс протона. При этом слабость слабого взаимодействия обязана коротко­действию сил, которые почти в 1000 раз более короткодействующие, чем ядерные.

Теория Вайнберга – Салама вместе с квантовой хромодинамикой позволяют объяснить все наблюдаемые в настоящее время явления в мире элементарных частиц. Ожидается, что в ближайшие годы будут найдены бесспиновые хиггсовские бозоны, которые требуются для обоснования модели Вайнберга – Салама. Проектируются и строятся ускорители, по энергии на порядок большие, чем действующие. На них ожидается открытие новых тяжелых частиц, предсказываемых современными теориями Великого объединения.

Какие теории окажутся верными, может сказать только опыт. Так всегда было и так будет. Сколько времени может занять создание единой теории материи, сказать трудно, легче предсказать, сколько времени потребуется на строительство конкретных, гигантских по старым меркам, установок, которое уже запланировано на 10–20‑летний срок. За это время будет исследован диапазон энергий в системе центра масс вплоть до 14 ТэВ на протон-протонных и электрон-позитронных коллайдерах. Завершится строительство гигантских детекторов гравитационных волн, что даст возможность изучать крупномасштабные процессы во Вселенной на протяжении всей истории ее существования. Возможно, удастся найти и изучить с помощью развиваемых в настоящее время методик темную материю во Вселенной.

Вообще, работы по астрофизике будут иметь приоритетное значение наряду с работами по физике элементарных частиц. Дело в том, что эти две науки оказываются все более связанными друг с другом в русле изучения проблем Большого взрыва, от которого нам в наследство остались вещество во Вселенной и реликтовое микроволновое излучение. Переход в исследованиях в области физики элементарных частиц на более высокий уровень энергий позволит продвинуться в анализе явлений, происходивших на ранних стадиях развития Вселенной, когда температура вещества соответствовала температурам, возникающим при столкновениях тяжелых ядер, ускоренных до гигантских энергий. Такие эксперименты планируются на строящемся в ЦЕРНе коллайдере LHC. Дальнейшее развитие будут иметь работы по астрофизике на все больших по размерам составных телескопах на Земле и в космосе. Изучение потоков нейтрино из космоса с помощью расположенных под толщей земной поверхности нейтринных детекторов позволит разобраться, что же происходит внутри Солнца, при взрывах сверхновых звезд, какие процессы происходят в ядрах галактик.

Очевидно, что созданная и развитая за прошедшее столетие теория строения материи является далеко не законченной и человечеству предстоит пройти долгий путь до ее полного завершения. Каковы материальные, финансовые и прежде всего интеллектуальные ресурсы, которые человечество может выделить для решения все более сложных вопросов, возникающих по мере продвижения в указанном направлении научных исследований? Может быть, рациональнее использовать эти ресурсы для развития других направлений? Ответ на последний вопрос, очевидно, зависит от того, какие ожидается получить научные результаты и какую практическую пользу для человечества могут принести эти исследования.

Оглянемся на столетие назад. Можно ли было предвидеть, что изучение ядерной физики даст заметные плоды? Очень часто ученые делали пессимистические прогнозы. А между тем была создана наука о строении материи на очень глубоком уровне понимания, открыты источники получения ядерной энергии для нужд человечества, разработаны методики, применяемые на других научных направлениях. Так, ядерные реакторы дают пучки нейтронов, широко использующиеся в научных исследованиях и в медицине. Ускорители заряженных частиц дают пучки синхротронного излучения с уникальными возможностями для изучения свойств самых разнообразных веществ, биологических объектов, для нанотехнологий и т.д. Но может быть, главная заслуга ученых, работающих в физике элементарных частиц, состоит в том, что они создали установки, требующие использования вычислительной техники на самом высоком технологическом уровне. Применение мощной вычислительной техники, почти идеальные условия для проверки ее работоспособности на гигантских ускорительных комплексах способствовало развитию электроники все возрастающими темпами. В настоящее время не видно причин для замедления темпов ее развития. Если за последние 50 лет быстродействие ЭВМ возросло примерно в 1 млрд раз, то по крайней мере технологических причин для снижения темпов дальнейшего столь же значительного продвижения в области быстродействия нет.

Человечество должно быть благодарно природе за предоставленную возможность развивать свои способности и технологии, вкладывая средства в научные исследования, а не в гонку вооружений. В развитых странах Европы, в США, Японии строятся гигантские ускорители, на которые тратятся миллиарды долларов. К сожалению, российская наука сидит без денег, и мы в соревновании за лучшие успехи в научных исследованиях практически не участвуем. Не участвуем в том смысле, что у нас не строятся никакие установки. Между тем лет 10 и даже 50 лет тому назад в нашей стране строились лучшие в мире ускорители, а сейчас на этом, и не только на этом, направлении наблюдается полный крах. Наши ученые, конечно, продолжают работать, но за границей или на старых установках. Перестав участвовать в соревновании на самом престижном научном направлении, мы затормозили и работу западных исследователей. Один из ведущих американ­ских ученых, лауреат Нобелевской премии, назвал нашу страну виновницей прекращения строительства крупнейшего в мире коллайдера SSC со встречными протон-протонными пучками энергией 2ґ10 ТэВ и длиной почти 90 км. Конгресс США приостановил финансирование строительства, на которое было уже истрачено около 2 млрд долл., так как после развала Советского Союза соревнование с нашим ускорительным комплексом УНК в Серпухове для американцев потеряло смысл.

Приходится с сожалением констатировать, что в области эксперимента, который, как мы видели, определяет будущее науки, основная часть работы российских ученых будет проходить на Западе или в будущем на Востоке. Это очень печальный факт, но такова современная действительность.

 

                                                                                                       Институт ядерной физики

                                                                                                       СО РАН, Новосибирск

 

 

Barkov, L.M. The role of experiment in modern physics

The theory of matter structure which has been created during the last century is far from being completed. To complete it perfectly, the mankind has to travel a long road where experiment will play the most important part. However, political, ideological, financial and intellectual factors exert more and more destructive influence on organization and carrying out of experimental research in fundamental physics.