Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная

• Название: Кварки, протоны, Вселенная
• Автор: Владилен Барашенков
• Издательство: Знание
• Жанр: Физика
• Год: 1987

В книге рассказывается об узловых проблемах современной физической картины мира: о черных и белых дырах во Вселенной, о «прелестных», «ароматных» и «цветных» частицах — кварках, о космических мирах, спрятанных внутри частиц, о пустоте, которая оказывается не пустотой, а материальной субстанцией, о квантах пространства и квантах времени, о гипотетических монополях и антивеществе.

Для широкого круга читателей.

---

Мы не знаем пока ни массы, ни других свойств этих частиц — все это зависит от варианта пока еще не завершенной и развивающейся теории. Даже число хиггсонов изменяется от одного варианта теории к другому. Что требуется обязательно, так это то, чтобы эти частицы могли взаимодействовать между собой напрямую — без посредничества частиц других типов. Такое «самодействие» и образует основной «уровень мира»—его вакуум. Физикам это напоминает прозрачный эфемерный студень неодинаковой густоты.

Может быть, поля Хиггса являются всего лишь приблизительным, модельным описанием на слишком привычном для нас языке каких-то глубоких и еще не понятых нами свойств природы? Ведь все попытки найти реальные частицы Хиггса пока безрезультатны. Впрочем, здесь нам стоит остановиться, иначе мы рискуем запутаться в дебрях теоретических схем и гипотез тем более что они, прямо скажем, еще весьма неопределенны и неоднозначны.

Теория Салама и Пати была одной из самых первых — разведкой в неведомую еще область. Она дала общее представление о том, что нас там ожидает, обнаружила первые подводные камни, наметила пути. Но сегодня физики отдают предпочтение уже другим, более совершенным версиям. Гёте говаривал: смелые мысли подобны вырвавшимся вперед шашкам в игре. Они гибнут, но обеспечивают победу. Их можно сравнить также, с семенами, из которых вырастает дерево теории. Высказать верную идею часто означает — определить развитие науки на много лет вперед, хотя потом, с высоты развившейся теории, эта идея выглядит иногда чересчур наивной и простой.

В последние годы испробованы «на прочность» многие варианты теорий, объединяющих кварки и лептоны. Одни из них похожи на теорию Салама и Пати, другие, напротив, сильно отличаются от нее как числом частиц, тик и их свойствами. Но их всех объединяет идея о расщепленном взаимодействии. Пока трудно сказать, какой подход наилучший. Физикам предстоит еще очень много работы — горы расчетов, бесчисленная их проверка в опытах. Но, как говорится, лед тронулся, и перед нами псе отчетливее проступают контуры будущей теории.

Сто лет назад английский физик Джеймс Максвелл объединил три казавшиеся тогда совершенно не связанными между собой явления: свет, электричество и магнетизм. Возникла электромагнитная теория, принесшая нам и радио, и телевидение, и вычислительные машины, и прочие чудеса электроники. И вот теперь выясняется, что теория Максвелла — лишь частный случай более общей теории. Какие же фантастические возможности откроет нам новая теория!

Возможно, некоторым скептически настроенным читателям разговоры о новой теории покажутся чем-то вроде гадания на кофейной гуще. Какой смысл спорить о достоинствах того или иного варианта теории для частиц, которые сами еще под вопросом? Ведь ни кварков, ни глюонов никто никогда еще не видел. Физики, да и все ученые всегда говорили, что высший судья для них — опыт, но его-то как раз здесь и нет. Как же узнать, верна или нет новая теория?

Действительно, «великое объединение» взаимодействий — электромагнитного, слабого и сильного — долго не принимали всерьез даже многие из физиков. Масса темных мест, плохо обоснованных предложений и ничтожное количество экспериментальных данных. Все это было... Первый серьезный успех, заставивший поверить в новую теорию, был достигнут в начале 70-х годов, когда удалось найти согласующийся с опытом вариант теории, объединивший силы двух типов — электромагнитные и слабые. Одним из авторов этой теории был уже известный нам Абдус Салам, двое других — американцы Стив Вайнберг и Шелдон Глешоу. За это достижение несколько лет назад им была присуждена Нобелевская премия. В их теории взаимодействия передаются квантами, имеющими четыре различных состояния. В одном из них квант имеет нулевую массу — это всем хорошо известный фотон; три других состояния, наоборот, очень массивные — почти в 100 раз тяжелее протона. Обмен такими квантами, например, между электроном и нейтрино возможен лишь на очень маленьких расстояниях — 1000 раз меньше размеров протона. Там слабые взаимодействия становятся сильными.

Недавно тяжелые кванты (их называют Z- и W-мезонами) были обнаружены в эксперименте, проведенном в Международном центре ядерных исследований в Женеве. Их рождение было замечено в столкновениях разогнанных до очень высоких энергий протонов и антипротонов. В лобовых столкновениях таких частиц происходит почти мгновенное выделение огромной энергии, за счет которой и рождаются тяжелые кванты. Экспериментаторам, которые этим своим открытием доказали, что теоретики идут по правильному пути, тоже была присуждена Нобелевская премия.

Как видите, современные физические теории — это далеко не гадание на кофейной гуще.

Теперь перед физикой стоит задача добавить к объединенному «электрослабому» взаимодействию еще и сильное — объединить три взаимодействия из четырех на которых держится мир. Для этого нужно найти недостающие состояния кванта промежуточного поля — выяснить, сколько их, таких состояний, какие у них массы, заряды и все прочие характеристики. Работы много! Понятно, что, если искать простым перебором вариантов или, как еще говорят, методом проб и ошибок, наугад выбирая значения параметров, задача долго останется нерешенной. Особенно если учесть, что опыты стали очень трудными и дорогими. Нужна руководящая идея.

Роль такой идеи сегодня играют законы симметрий. Об этом стоит рассказать подробнее.

Свою теорию симметрий французский ученый Эварист Галуа написал в ночь накануне дуэли. Ему шел всего лишь двадцать первый год. Неудачи преследовали юношу. Первую его математическую работу напечатали когда ему было семнадцать лет, но в тот же год он провалился на вступительном экзамене по математике в Политехническом институте. Он послал свои работы знаменитым математикам Коши и Фурье, но Коши его статьи потерял, а Фурье неожиданно умер, не успев прочитать. С большим трудом Галуа удалось поступить в Высшую педагогическую школу — учебное заведение значительно низшее по уровню, чем Политехнический институт. Но и оттуда, он был вскоре исключен за недозволенную властями политическую деятельность. Рассказывали, что однажды во время банкета с гвардейскими офицерами он произнес тост за здоровье короля Луи Филиппа, но тут же выхватил кинжал и энергичным жестом показал, что следовало бы сделать с его величеством... Многие были убеждены, что дуэль была спровоцирована сторонниками короля, и страстный республиканец Галуа был убит наемным убийцей.

Произошло это сто пятьдесят лет назад. Сегодня теория симметрий Галуа — один из краеугольных камней математики и теоретической физики. На ее основе по нескольким известным семействам частиц, мультиплетам, можно установить связывающие их правила симметрии и вычислить все другие мультиплеты. В свое время она помогла предсказать существование кварков; теперь она используется для испытания кандидатов на роль многокомпонентного промежуточного кванта в теории «великого объединения».

Установлено, что каждому типу симметрии отвечает определенный квант-мультиплет, и вместо перебора всех возможных случаев следует изучать лишь те, которые соответствуют этим симметриям. Задача, естественно, сильно упрощается, хотя и после этого она остается еще очень трудной — ведь типов симметрии много. Например, симметрии круга и шара, вращения и отражения в многомерных пространствах и так далее. Чем больше параметров требуется для описания частицы, тем более сложной и многоплановой становится симметрия.

Как тесно все переплелось в нашем мире! Абстрактные кварки и хрупкое кружево снежинок (тоже симметрия!). Физика и художника волнуют одни и те же законы...

Пока ни теоретики, ни экспериментаторы точно не знают, из каких частиц складывается мультиплет, ответственный за перенос единого взаимодействия. У каждого свой излюбленный вариант «великого объединения». Однако все согласны в том, что среди этих частиц непременно должен быть безмассовый, похожий на фотон глюон, который связывает цветные заряды кварков. Это как бы «цветной электромагнетизм». Там должны быть также частицы — переносчики взаимодействий между лептонами и кварками. Большинство моделей «великого объединения» предсказывают для этих частиц очень большие массы — приблизительно в 100 триллионов раз больше, чем у протона. Так много весит уже видимая глазом пылинка. Чтобы получить энергию, необходимую для рождения подобных частиц, пришлось бы построить ускоритель длиной в целый световой год! От Солнца до Земли свет пробегает всего за 8 минут, а тут бежал бы целый год. Представляете себе, какой длины был бы этот ускоритель!

Энергии космических лучей тоже не хватит для рождения сверхтяжелых квантов. Даже у самых быстрых из них энергия в 100 раз меньше той, которая была бы нужна.

Но все это не означает, что сверхтяжелые кванты никогда не будут открыты и что «великое объединение» навсегда останется недоказанной гипотезой. Чтобы убедиться в существовании предсказываемых теорией сверхтяжелых частиц, совсем не обязательно строить фантастический ускоритель. Это можно сделать косвенным способом. Сверхтяжелые кванты рождаются где-то глубоко в недрах нуклонов, мезонов и других частиц. На очень короткое время это, как доказывают физики квантовыми законами разрешается. И вот там, взаимодействуя со сверхтяжелым квантом, кварк может превратиться в лептон. Частица, внутри которой произошло такое превращение, сразу же распадается, так как частиц, состоящих из смеси лептонов и кварков, не бывает. Поэтому, если удастся обнаружить радиоактивный распад протона, который вне рамок «великого объединения» абсолютно устойчив, это будет убедительным подтверждением идеи такого объединения и связанных с нею сверхтяжелых квантов.