Борис Кузнецов - Философия оптимзма

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] См.: К. Нишиджима. УФН, 1965, 86, вып. 4, стр. 675. . 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] См.: М. Гелл-Манн, А. Розенфельд, Дж. Чу. УФН, 1964, 83, вып. 4, стр. 695; У. Фаулер, Н. Сеймисос. УФН, 1965, 85, вып. 3, стр. 523. Но система элементарных частиц, стоящая по своей однозначности на уровне физически расшифрованной таблицы Менделеева, требует перехода через новый энергетический порог.

Сейчас проектируются ускорители, сообщающие частицам энергии 200—1000 млрд. эв. В Брукхэвене, где работает ускоритель на 33 млрд, эв, разрабатывается проект нового ускорителя на 1000 млрд, эв с круговой вакуумной камерой протяженностью свыше 20 км . Протоны будут двигаться в магнитном иоле, которое создается кольцевой системой из 1400 десятиметровых магнитов, железо которых весит 42 тыс. тонн. Проектируются ускорители и в Западной Европе (300 млрд. эв). В СССР разрабатываются некоторые принципиально новые схемы ускорителей.

Один из них — система встречных пучков частиц.

В тех ускорителях, о которых шла речь, быстро движущиеся, обладающие высокой энергией частицы попадают в неподвижную мишень. При этом только небольшая часть энергии движущейся частицы расходуется па рождение новых частиц.

Большая часть энергии уходит на чисто механический процесс — изменение скоростей сталкивающихся частиц (бомбардирующей частицы и частицы-мишени). После столкновения бомбардирующая частица теряет часть своей скорости, а неподвижная частица-мишень приобретает скорость и центр тяжести системы «бомбардирующая частица — частица-мишень» сдвигается в сторону удара. Вот на это перемещение центра тяжести (иными словами, на суммарное перемещение системы, состоящей из обеих столкнувшихся частиц, по отношению к ускорителю) и уходит большая часть энергии бомбардирующей частицы. При этом вместе с мощностью ускорителя растет и доля энергии, не используемая для тех процессов, наблюдение и изучение которых является задачей физики высоких энергий. В особенности это относится к столкновениям электронов. Если электрон, обладающий энергией 6 млрд, эв, сталкивается с неподвижным электроном, то около 5,94 млрд, эв уходит на смещение центра тяжести электронов по отношению к ускорителю.

Смещение центра тяжести не произойдет, если частицы — в данном случае электроны — движутся навстречу друг другу. При этом каждая частица может рассматриваться и как бомбардирующая частица, и как частица-мишень. Метод встречных пучков позволяет экспериментировать с частицами равной массы и может во много раз увеличить полезную энергию. Если бы, например, ускоритель электронов на встречных пучках придавал частицам полезную энергию порядка 12 млрд, эв, то при неподвижной мишени для этого понадобилась бы фантастическая мощность электронного ускорителя: он должен был бы сообщить электронам энергию порядка 100 триллионов эв.