Юрий Чирков - Занимательно об энергетике

Современней физик также «исповедует» четыре стихии, четыре поля сил — сильного (ядерного), электромагнитного, слабого и гравитационного. Это своеобразные «стихии» физики XX века. Ученые, конечно, понимают, что должна быть глубокая связь между этими стихиями, но, увы, уловить ее пока не могут.

Так вот, в последних экспериментах на ускорителях физики настойчиво пытаются связать электромагнитные и слабые взаимодействия. Теоретики сейчас высказывают мысль о существовании тут новой области энергий — примерно в 50 раз более высоких, чем для известных уже элементарных частиц.

Что даст практике открытие этой области энергий, сказать трудно. Ибо человек вступает здесь в странный, загадочный мир, где обычные представления и мерки неприменимы.

Проиллюстрируем эту мысль одним важным примером.

Кварки

С десяток лет назад в словаре физики элементарных частиц появилось слово «кварк». Слово это заимствовано из фантастического романа ирландского писателя Джойса «Поминки по Финнегану» (там оно означает нечто дикое, невообразимое, немыслимое). И не случайно: гипотетические частицы — кварки — обладают свойствами, которые не смог бы придумать и самый изощренный фантаст.

Две тысячи лет понадобилось науке, чтобы удостовериться: все вещества состоят из молекул. Через 200 лет человек открыл атомы. 20 лет спустя узнал: атом — это набор элементарных частиц: протонов, нейтронов (их вместе величают нуклонами, они состав ляют ядро атома) и электронов. Смысл таблицы Менделеева стал понятен. Казалось бы, дошли до истоков, до первоматерии.

Однако, как это часто случается в храме Науки, в разгар торжества начались «неприятности». В начале 50-х годов нашего столетия, орудуя мощными ускорителями, физики-экспериментаторы начали обнаруживать все новые и новые ядерные частицы. Их стали обозначать просто буквами. Так возникли А-частицы, ∑-частицы и многие другие. Чтобы не запутаться, все эти частицы окрестили словом «гипероны». А для всех сильно взаимодействующих (ядерные силы) частиц — мезонов, нуклонов и гиперонов — придумали общее название: адроны.

Их набралось уже около двух сотен: больше, чем элементов в таблице Менделеева. Было ясно: с эпитетом «элементарные» пора распроститься.

За дело взялись физики-теоретики. Вооружившись соображениями симметрии, законами сохранения и новейшей математикой, они принялись раскладывать «адронные пасьянсы». Обнаружилось: адроны могут быть сгруппированы в семейства — супермультиплеты, близкие по своим основным свойствам. Нашлась и математика, «узаконившая» подобную классификацию. Она допускала существование всевозможных «наборов частиц»: из одной, трех, шести, восьми, десяти и так далее, физики же наблюдали лишь синглеты (одна), октеты (восьмерки) и дециметы (десятки). Почему такая разница в «наборах»?

В 1963 году одновременно и независимо теоретики — американский (М. Гелл-Манн) и австрийский (Г. Цвейг в отличие от Гелл-Манна, введшего слово «кварк», он называл их «тузами») высказали гипотезу о существовании кварков — трех фундаментальных частиц, различными комбинациями которых и являются все адроны.

Кварки должны были обладать необычными свойствами, и прежде всего дробными зарядами (до этих пор считалось, что наименьшие заряды у электрона и позитрона — минус и плюс единица). А кварки имели заряды: один +2/3, два других -1/3 (так, к примеру, протон есть совокупность двух кварков с зарядом плюс 2/з и одного с зарядом минус 1/3, что и дает в сумме нужную единицу).

Кварки вначале были встречены в штыки. Однако теория кварков предсказывала существование нового адрона (омега-минус-гиперона), который вскоре и был обнаружен. Успех был полным. В 1969 году Гелл-Манн стал нобелевским лауреатом.

Физики бросились искать кварки. Искали в океанах, где вроде бы за тысячелетия должны были они накопиться, искали в метеоритах, космических лучах. Тщетно. В 1967 году под Серпуховом в нашей стране был пущен крупнейший тогда в мире ускоритель. Возможности поисков кварков значительно возросли. Но обнаружить следы кварков опять не удалось.

Раздались голоса, что кварки всего лишь удобная абстракция, что, возможно, в 2000 году на вопрос, что такое кварк, физик лишь недоуменно пожмет плечами: теория кварков к тому времени будет забыта.

Родилось, окрепло и другое предположение — кварки принципиально нельзя обнаружить. Нуклоны и гипероны (вместе они называются барионами) построены из трех кварков, мезоны — из двух (кварка и антикварка). Так вот, скажем, мезоны чем-то похожи на магнит, говорили сторонники ненаблюдаемости кварков. А любая попытка отделить северный магнитный полюс от южного обречена на провал. Разрежьте магнит на две части: каждая станет самостоятельным магнитом со своими полюсами. Так и любая попытка разъединить компоненты мезона ведет к образованию новых кварка и антикварка: вместо одного мезона мы получим пару — и только!

Есть и третья версия. Возможно, энергий, достигаемых на современных ускорителях, просто недостаточно для рождения свободных кварков.

Никогда не говори «никогда»

О кварках можно рассказывать бесконечно. Есть кварки красные, желтые, голубые .. Но выбор цветов .и само понятие цвета — вещи довольно условные. Просто оказалось, что кварки разнятся на «нечто», что за неимением у физиков готовых этикеток и в погоне за яркостью образа нарекли «цветом».

Чистая условность. При желании это «нечто» можно было бы пометить не цветом, а, например, вкусом, и говорить о сладких, соленых и горьких кварках. Но у нас к кваркам сейчас другой интерес: хотелось бы указать на возможную связь кварков с энергетикой будущего.

Дело вот в чем: каждый протон, как полагают, состоит из трех кварков. Но каждый кварк по массе (фантастика!) раз в десять тяжелее протона.

Странности странного микромира: тут слон может залезть в кастрюлю! Часть может быть по массе больше целого. «Толстые» кварки запросто умещаются в «чреве» «худенького» протона.

Итак, вновь дефект масс: если три свободных кварка объединятся в протоне, выделится громадная энергия. Она в тысячи раз больше того, что обещает энергетика термоядерная.

Подобной энергии было бы достаточно для снаряжения межзвездных экспедиций. Вероятно, именно с подобными процессами сталкиваются астрономы при наблюдении взрывающихся галактик и других грандиозных явлений в космосе.

Элементарные подсчеты показывают, что, когда три кварка сливаются в протоне, 95 процентов их массы «исчезает» — превращается в энергию. И «утилизация» одного грамма кварков позволила бы высвободить громадное количество энергии, эквивалентное сжиганию 2500 тонн нефти.

Замечательные перспективы для энергетики, но нам возражают: кварки существуют только внутри адронов, в свободном состоянии они быть не могут. Это их фундаментальное свойство. Их уникальность как раз в том, что человек впервые открыл микрообъекты, наблюдать которые в чистом, изолированном, что ли, виде принципиально нельзя!