Отсюда противоречивая позиция Эйнштейна: он стремился к одиночеству и откликался на множество самых разнообразных экспериментальных и теоретических результатов, он откликался даже на события, непосредственно не связанные с наукой, и в конце концов стал физиком, наиболее близким беспрецедентно широкому кругу людей. И это тоже не индивидуальная черта, во всяком случае не только индивидуальная. Современная наука вызывает у ее представителей, и не только у них, а у самых широких кругов, две связанные одна с другой психологические черты. Современный ученый стремится подняться над многообразием фактов и остаться лицом к лицу с наиболее общими проблемами бытия, и в то же время он, как никогда раньше, прислушивается ко всему, что происходит в науке, причем не только в своей области, но и в более отдаленных областях, откуда могут прийти новые факты и новые логические конструкции. По-видимому, эти психологические черты ученого нашей эпохи будут становиться все более связанными между собой, по мере того как наука будет приближаться к своему современному идеалу — к единой концепции do rerum natura, охватывающей невероятно расширившуюся и усложнившуюся эмпирическую базу неклассической науки.
Сейчас фундаментальные принципы теории относительности, квантовой механики и релятивистской квантовой механики индуцировали очень большой цикл экстенсивных исследований и открытий, которые вместе с этими принципами образуют атомную и ядерную физику. Но все большее число апорий, противоречий, трудностей поворачивает научную мысль к поискам новых принципов. По-видимому, такой поворот будет усиливаться в течение ближайших десятилетий. Мыслители, отдающие свои силы проблеме кварков, проблеме дискретности пространства, проблеме отличия субстанциальных свойств частицы от ее мировой линии, проблеме конечной или бесконечной Вселенной, являются «отшельниками» в смысле, не имеющем ничего общего с какой-либо интеллектуальной изоляцией. Ведь подобные проблемы являются вопросами, которые будут заданы природе, частично, может быть, окажутся лишенными смысла, но будут так или иначе решены с помощью больших коллективных экспериментальных, теоретических и вычислительных работ.
Физика высоких энергий
В начале этой книги говорилось о комплексном прогнозе, включающем ряд связанных между собой сдвигов в энергетике, технологии, управлении производственными процессами и в характере труда. Эти сдвиги, объединенные условным термином «атомный век», непосредственно связаны, если по-прежнему пользоваться терминами Вайскопфа, с экстенсивными исследованиями, создавшими атомную и ядерную физику и индуцированными интенсивным продвижением науки к релятивистским и квантовым принципам. Но атомный век, как и всякий период цивилизации, должен включить такие направления научной мысли, которые подготавливают следующий, более высокий по рангу динамизма период.
В течение атомного века такая подготовка связана с интенсивным направлением науки — поисками новых фундаментальных принципов, которым суждено индуцировать субъядерную физику.
Субъядерная физика — это физика частиц, которые входят в атомные ядра или не входят в них, но находятся на той же ступени иерархической лестницы дискретных частей вещества, что и нуклоны. Это частицы, которые, в отличие от более крупных дискретных тел, в отличие от молекул, атомов и атомных ядер, может быть, не делятся на уже существовавшие в их составе низшие звенья иерархии. Их распад и рождение в этом случае не сводятся к пространственной перегруппировке тождественных себе субчастиц. К чему они сводятся, мы пока не знаем. Мы также не знаем, где локализованы встречи, рассеяния и трансмутации частиц, не знаем, впрочем, имеет ли смысл вопрос о точной локализации этих событий. Мы можем лишь утверждать, что эти события происходят в очень малых пространственно-временных ячейках, в пространстве порядка линейных размеров атомного ядра и в течение временных интервалов, необходимых свету, чтобы пройти такое пространство. Здесь, быть может, находится пространственно-временной порог, перешагнув через который мы попадем в мир, где ход ультрамикроскопических событий подчинен принципам, более общим и точным, чем известные нам сейчас. Быть может, этот порог дальше и ультрамикроскопический мир, где можно встретить новые решения фундаментальных проблем бытия, находится в пространственно-временных ячейках на много порядков меньших. Во всяком случае путь к новым фундаментальным принципам, к их «внешнему оправданию» лежит через экспериментальное изучение очень малых областей, где происходят процессы, которые мы склонны считать ультра-релятивистскими.
Для этого нужны очень большие энергии частиц, которыми манипулирует экспериментатор.
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]. 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»