В «элементарных» частицах, состоящих из кварков, сами кварки связаны какими-то обменными процессами. Переносчики такого межкваркового взаимодействия — глюоны — еще один новый класс частиц. Причем силы, действующие между кварками, для нас совершенно непривычны — они не ослабевают с расстоянием. Именно поэтому нельзя наблюдать изолированные кварки. Если даже затратить огромную энергию, чтобы растащить пару кварков на заметное в масштабах микромира расстояние, то каждый из компонентов этой пары, каждый кварк мгновенно найдет в вакууме другой кварк и, объединившись с ним, родит элементарную частицу, в частности мезон. Экспериментаторы наблюдали подобные процессы по их конечному продукту — по ме-зонным струям.
Эти факты подтверждают достоверность кварковых моделей и свидетельствуют о том, что найдены новые «кирпичи» мироздания, что мы поднялись или, если говорить более строго, опустились еще на одну ступень в понимании конструкций микромира. Теперь мы, кроме того, с оптимизмом смотрим еще и на возможность объединения всех известных в природе сил, о чем мечтали выдающиеся физики нашего века.
Сегодня известны четыре класса сил, четыре вида физических взаимодействий: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Сейчас активно обсуждается возможность двух объединений, как говорят, сверхобъединений (гранд-объединений): возможность открытия единой природы сначала трех, а затем и всех четырех сил.
Сразу даже представить себе трудно, как много может дать четкое понимание единства всех сил природы, каким большим продвижением вперед это будет и в нашем понимании микромира, и, видимо, в управлении природными процессами, практическом их использовании. Вспомним: именно открытие единой природы электричества и магнетизма принесло человечеству такие блага, как универсальное использование электроэнергии: электрическое освещение, всевозможные электродвигатели, ставшие основой транспорта и моторизованной промышленности, а также телефон, радио, телевидение, звукозапись...
В возможности экспериментальной проверки идей великого объединения просматривается черта, характерная для всей физики, — открытие реалистичных конструктивных путей решения технических задач, которые на первый взгляд представляются неразрешимыми. Дело в том, что объединение сильного взаимодействия с электромагнитным и слабым должно наблюдаться при энергиях порядка 1015 ГэВ (миллиардов электрон-вольт), это примерно в миллион миллионов раз больше, чем энергия в самых мощных современных ускорителях. Чтобы получить энергию, необходимую для такого объединения, нужно было бы построить ускоритель длиной в световой год. А объединение названных трех сил с гравитацией должно наблюдаться при энергии еще в 10 тысяч раз большей, при 1019 ГэВ.
И вот появляются идеи проверки теории при значительно меньших энергиях. Проектируются и строятся ускорители, в которых за счет нестандартных физических и инженерных решений будут получены рекордные энергии частиц. Так, в ускорителе, который создается в Серпухове в Институте физики высоких энергий и для которого всемирно известный Серпуховской ускоритель на 70 ГэВ будет служить инжектором, энергия ускоренных частиц достигнет 3 тысяч ГэВ при огромных, но все же вполне реалистичных размерах ускорительного кольца (его диаметр равен 20 километрам). В Новосибирском институте ядерной физики, где в свое время академик Г. Будкер предложил идею и ускорения и сталкивания встречных пучков — одну из самых плодотворных в ускорительной технике, — сейчас идет работа над проектом машины, где встречные пучки формируются уже не в кольцах, а в линейных ускорителях, что позволит, в частности, избавиться от синхротронного излучения, которое ограничивает энергию частиц.
Как известно, синхротронное излучение возникает при движении электронов по ускорительному кольцу в магнитном поле, которое искривляет траекторию частиц. При этом чем выше скорость частиц, тем большая часть переданной им энергии превращается в синхротронное излучение. И может наконец наступить такой момент, когда энергия, передаваемая электронам, будет расти, а их собственная энергия почти не увеличится, то есть практически всю затрачиваемую на ускорение частиц энергию будет забирать синхротронное излучение.
Справедливости ради заметим, что этот побочный продукт, вредный для ускорения, может совершать массу полезных дел. Ведь по своей физической природе синхротронное излучение — это не что иное, как рентгеновские лучи, но только узконаправленные и значительно более мощные. В таком излучении остро нуждаются многие области науки и техники. В биологии, например, оно используется для изучения структуры белковых молекул, в машиностроении и строительстве — для дефектоскопии, в микроэлектронике — для рентгеновской литографии, позволяющей получать сверхбольшие интегральные схемы с деталями субмикронных размеров. Кстати, эти размеры уже близки к размерам атомов (в частности, атомов водорода), находящихся в сильно возбужденном состоянии, у которых электроны могут быть в десятки и сотни раз дальше от ядра, чем когда они в спокойном, невозбужденном состоянии. Так что успехи микроэлектроники свидетельствуют: недолго, видимо, просуществует разрыв между микрофизикой и макрофизикой, который, как считалось, разделяет эти огромные области.
Вернемся, однако, к нашей первой теме. Сейчас физики думают, как осуществить экспериментальную проверку идеи великого объединения обходным, так сказать, маневром, в экспериментах, не требующих гигантских энергий ускоренных частиц. В числе таких экспериментов проверка стабильности протона.
Один из выводов теории говорит, что протон не есть абсолютно стабильная частица, как это сейчас представляется, что он должен распадаться в среднем за время 1020—1030 лет. Если бы удалось обнаружить, что это действительно так, то многие важные выводы квантовой хромодинамики, касающиеся, в частности, единой природы всех взаимодействий, можно было бы считать доказанными.
Человеку непосвященному этот способ экспериментальной проверки может показаться недостойным обсуждения. Действительно, как можно проверить, распадается ли частица за 1020 лет, если возраст вселенной всего 1010 лет? Физик же понимает, что речь идет о среднем времени распада и поэтому достаточно наблюдать массу из 1020 протонов и установить, что за год один из них распался. Или наблюдать 1030 протонов и зарегистрировать 100 распадов в год. Задача эта непростая: необходимо в тоннах наблюдаемого вещества обнаружить единичные акты распада и при этом застраховаться от разного рода помех, от распадов, вызванных не внутренними процессами в протоне, а какими-либо внешними воздействиями. И все же экспериментальная проверка нестабильности протона отнесена к числу осуществимых.
На протяжении многих десятилетий, и особенно в последние годы, все более плодотворной становится связь земной физики с астрофизикой. И это вполне естественно. По мере того как астрофизика все детальнее исследует космос, мы получаем возможность в этой гигантской лаборатории проверять свои представления о природе земных вещей и, наоборот, на основе явлений, обнаруженных в далеких районах вселенной, разрабатывать фундаментальные физические теории.
Главные наши знания об устройстве и истории вселенной есть некий синтез наблюдательных данных и фундаментальных физических представлений. Например, обнаружение пульсаров — источников импульсного радиоизлучения, которое даже его открывателям долго казалось чем-то мистическим, загадочным, — после детальных наблюдений и глубокого теоретического анализа привело к модели быстровращающейся нейтронной звезды. Ее магнитное поле формирует из потоков заряженных частиц своего рода антенны, которые, вращаясь вместе со звездой, «стреляют» в наблюдателя импульсами радиоизлучения.
Открытие слабого и равномерно заполняющего всю вселенную так называемого реликтового радиоизлучения, оставшегося с древнейших времен, подтвердило правильность наших представлений о начальной стадии расширения вселенной. Уже одно то, что сегодня удается воссоздавать процессы, которые шли много миллиардов лет назад и с которых начиналось развитие вселенной, говорит о том, какой могучей силой познания стала нынешняя физика.