Борис Кузнецов - Философия оптимзма

Переход физики от атомно-молекулярных теорий XIX в. к атомной физике, затем к ядерной и субъядерной — это переход от энергий в сотые доли электронвольта к энергиям, измеряемым электронвольтами, затем миллионами и миллиардами эв. Атомы классической физики и химии при их тепловом движении обмениваются энергиями порядка 0,01 эв; они ведут себя при этом как твердые шарики. Электромагнитное излучение атомов, раскрывающее их структуру, обладает энергией от нескольких эв в оптической области до нескольких сотен тысяч эв в ренгеновском излучении. Ядерная структура раскрывается в процессах, требующих энергии в миллионы электронвольт. С начала 30-х годов создалось своеобразное сотрудничество в ядерной и затем в субъядерной физике между ускорителями, которые придавали частицам высокие энергии (с 30-х годов до нашего времени эти энергии возросли от сотен тысяч до десятков миллиардов эв), и приборами, с помощью которых изучали космические лучи [77] См.: Е. Л. Фейнберг. УФН, 1905, 86, выгх. 4, стр. 733. . Космические лучи — это потоки частиц различного типа и с различными энергиями, которые несутся к Земле со всех сторон из мирового пространства. Частицы, входящие в космическое излучение, имеют иногда колоссальные энергии, недостижимые в ускорителях, но ими труднее манипулировать, и по большей части новые частицы и новые процессы находили сначала в космических лучах, а затем изучали более детально с помощью ускорителей. Впрочем, в 50—60-е годы ускорители позволили в ряде случаев самостоятельно открыть новые частицы и процессы. Энергия частиц космического излучения, используемых в новых открытиях, все время росла и с 30-х годов выросла примерно в таком же отношении, как и энергия частиц в ускорителях. В начале этого периода в космических лучах был найден позитрон, существование которого было предсказано релятивистской квантовой механикой. Открытие и изучение позитрона не требовало очень высоких энергий, так как масса позитрона (равная массе электрона) мала и, чтобы превзойти соответствующую этой массе энергию покоя электрона и позитрона, нужны энергии порядка миллиона эв , но при возникновении и распаде нуклонов и других, еще более тяжелых частиц фигурируют энергии порядка миллиардов эв. В настоящее время область энергий, в которой ведутся интенсивные исследования космических лучей, достигла триллионов эв, а ускорители сообщают частицам энергии до 76 млрд. эв. Таков наиболее крупный ускоритель протонов, сооруженный недавно в Серпухове. Крупные ускорители работают в Брукхэвене (33 млрд, эв), в Женеве (28 млрд, эв), в Дубне (10 млрд. эв). Чтобы дать представление об их устройстве, потребуется очень краткая историческая справка.

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] УФН, 1965, 86, вып. 4, стр, 729. 232 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.