Вера Черногорова - Загадки микромира

Современная квантовая теория не в состоянии ответить ни на один из этих вопросов. При таких огромных энергиях столкновения математический аппарат теории совершенно отказывает. Помните: «Потерял сознание…»

А в это время приборы уже регистрируют результаты ядерной реакции. В измерительном центре электронные устройства — анализаторы — подвергают первичной обработке информацию. Наконец, исследователь получает значение вероятности интересующего его процесса.

А эту величину согласно общим принципам квантовой механики как раз и можно выразить с помощью набора математических функций S-матрицы. Ну чем непохоже на знаменитое: «очнулся — на руке гипс»?

S-матрица — это величина, связывающая начальное состояние процесса с конечным, величина, которую измеряют на опыте и вычисляют теоретически. Теперь она — центральное звено, связывающее теорию и эксперимент, «узловой пункт», где происходит встреча теоретиков и экспериментаторов. S-матрица — это язык, на котором они общаются друг с другом.

Ну хорошо, встретились, разобрались, поняли результат опыта. Значит, можно и теорию создать, чтоб его (этот опыт) и объяснить! Можно, но как?

Один путь привычный, на который толкает квантовая механика. Досконально, шаг за шагом изучается поведение частиц, участвующих в реакции, подобно тому, как детектив выслеживает преступника, не выпуская его из поля зрения ни днем ни ночью.

Но если детектив еще может надеяться на успех, то попытка теоретика с самого начала обречена. Никто пока не умеет решить бесконечную цепь уравнений. А ведь только она с помощью волновой функции может описать события, происшедшие в момент столкновения.

Вот почему еще в 1941 году один из основателей квантовой механики, В. Гейзенберг, высказал идею о том, что S-матрица должна быть основой рабочего аппарата современной квантовой теории.

Не будем детективами — так можно понять смысл этой идеи. Не будем заниматься расследованием того, что пока недоступно анализу. Надо создать теорию, уравнения которой можно было бы решить. Такая теория, не пытающаяся конкретно установить, что произошло в момент «потери сознания» — столкновения, — удовлетворила бы всех.

Археолог может обойтись без знания того, кто именно, с помощью какого конкретного инструмента и в какой точно день сделал ценную историческую находку. Археологу важно лишь знать, в каком месте и в каком культурном слое обнаружен древний предмет. Это вполне соответствует начальным условиям ядерной реакции, хорошо известным экспериментатору.

Затем археолог должен иметь возможность непосредственно исследовать обнаруженный экспонат. Описание находки, как и экспериментальный результат, получаемый в физике элементарных частиц, приобретает цену только после теоретической обработки.

Археолог обязательно постарается хотя бы приблизительно датировать найденный предмет и тем определить его значимость. Но когда физики пытаются сделать то же самое — получить элементы S-матрицы из уравнений, — на их пути встают непреодолимые трудности. «Столбовая дорога» и в матричном подходе к созданию новой теории пока закрыта. И тогда возникает множество обходных путей. Теоретики приспособились обрабатывать экспериментальную информацию, просто постулируя некоторые определенные свойства элементов матрицы, высказывая конкретные гипотезы без их связи с фундаментальными аксиомами.

Каждая из обходных дорог обязана не столько железной логике первопроходца, сколько его интуиции, особому чутью в подходе к экспериментальным данным.

Неизвестно, можно ли, двигаясь по этим дорогам, прийти к конечной цели — построить здание из груды кирпичей. Пока дороги ведут недалеко и резко обрываются. На основе этих частных гипотез можно иногда установить неожиданные связи между различными процессами. Но каждый раз удается сложить в нечто целое лишь очень маленькое количество кирпичей.

«Существующая теория носит мозаичный характер, — говорит директор лаборатории теоретической физики ОИЯИ Д. Блохинцев. — Можно понять и даже рассчитать отдельные явления. Но часто точка зрения, справедливая для одной группы явлений, плохо согласуется с точкой зрения, хорошо объясняющей другую группу явлений. Нет общей картины, намечены только отдельные ее кусочки».

Из груды экспериментальных фактов теоретики пока извлекают лишь отдельные детали будущего здания современной физики.

Но, может быть, кто-нибудь, однажды взглянув на эту мозаику издали, сможет расставить по местам все найденные детали, а частные гипотезы слить в единый архитектурный план здания физики — теорию элементарных частиц.

Иногда крайне необходимо иметь возможность увидеть всю картину процесса в целом.

Одного взгляда с самолета достаточно, чтобы в валах, мешающих археологическим раскопкам, угадать погребенные остатки домов. Непонятные полосы, выбитые на камнях мексиканского плоскогорья, с большой высоты слагаются в гигантское изображение птицы.

Работа физиков-теоретиков, перебирающих и ощупывающих каждый экспериментальный факт, очень напоминает начало раскопок чрезвычайно интересного, но непонятного сооружения. Физики уверены, что когда-нибудь и как-нибудь завал будет расчищен. «Правда, — говорит Ф. Дайсон, — мы можем проталкивать только по одному бревнышку за раз, и очень мало какие из них шевелятся, когда мы их толкаем».

Не охваченный теоретической мыслью, непознанный мир элементарных частиц производит «странное» впечатление. Английский философ Ф. Бэкон писал: «Не существует истинно прекрасного без некоторой доли странности». Одна из наших лучших научно-популярных книг — книга Д. Данина — так и называется «Неизбежность странного мира».

А так ли уж неизбежна эта странность?

Давайте оторвемся от детального разглядывания частиц и их поведения и попробуем посмотреть «сверху» на всю груду экспериментальных результатов, охватив единым взглядом этот новый удивительный мир.

«Разве слишком большие нарушения пропорций, странные отклонения от порядка не губят красоты? — спрашивает М. Гелл-Манн. И отвечает: — В течение многих лет одна из главнейших областей физической науки — учение о строении вещества — страдала болезнью странности. Когда физики исследовали вещество на самых малых расстояниях, оно представлялось им как произвольная смесь отдельных элементарных частиц, среди которых нельзя было заметить никакого строгого порядка. Теперь, наконец, картина начинает немного проясняться. Само слово „странность“ вошло в словарь физиков, а ее доля уменьшилась настолько, что уже проступает красота упорядоченности».