Файл: Фритьоф Капра. Дао физики.doc

Аналогичный паттерн образуют восемь наиболее легких барионов. Он носит название "барионный октет". Отличие заключается в том, что в последнем случае античастицы не входят в нее, а образуют идентичный ей энтиоктет. Последний, девятый барион из нашей таблицы — омега, вместе с девятью резонансами принадлежат к другому паттерну — "барионная десятка". Все частицы, принадлежащие тому или иному симметричному паттерну, имеют одинаковые квантовые числа, за исключением изоспина и гиперзаряда, от которых зависит их расположение внутри паттерна. Так, все мезоны в октете имеют нулевой спин (то есть не вращаются совсем): барионы в октете имеют спин, равный 1/2, а в барионной десятке — 3/2 (см. рис. 49).

Квантовые числа используются не только для классификации частиц и разделения их на "семьи", формирующие четкие симметрические паттерны, и для определения положения каждой частицы внутри соответствующего паттерна, но и для классификации взаимодействий частиц в зависимости от присущих им законов сохранения. Таким образом, два взаимосвязанных понятия — понятия симметрии и сохранения — оказываются чрезвычайно полезными при описании закономерности мира частиц.

Поразительно то, что все эти закономерности приобретают гораздо более простой вид, если мы придерживаемся той точки зрения, что адроны состоят из небольшого количества элементарных единиц, которые до сих пор ускользали от непосредственного наблюдения. Эти единицы получили название "кварков". Этот термин был впервые использован Мюрреем Гелл-Манном, который заимствовал это слово из романа Джеймса Джойса "Поминки по Финнегану", содержащего такую строку: "Три кварка для Мастера Марка", и применил его для обозначения постулированных им частиц. Гелл-Манну удалось объяснить большое количество таких адронных паттернов, как описанные выше октеты и барионные десятки, приписав трем своим кваркам и их антикваркам соответствующие значения квантовых чисел и составляя из них различные сочетания для того, чтобы получить барионы и мезоны, квантовые числа которых складываются из квантовых чисел составляющих их кварков. При этом предполагается, что барионы "состоят" из трех кварков, их античастицы — из соответствующих антикварков, а мезоны — из сочетания кварка и антикварка.

Простота и эффективность этой модели совершенно очевидны, но, считая кварки реальными физическими составляющими адронов, мы неизбежно столкнемся с непреодолимыми трудностями. До сих пор, несмотря на самые активные старания физиков обнаружить кварки при помощи бомбардировки адронов наиболее "скоростными" частицами — "снарядами", все их попытки были обречены на неудачу. Этот результат может, по всей видимости, означать только одно, а именно: то, что кварки должны быть связаны между собой очень мощными силами притяжения. Наши нынешние представления о частицах и их взаимодействиях предполагают, что за всеми силами в действительности стоит обмен более мелкими частицами, то есть, что кварки имеют некую внутреннюю структуру, подобно всем остальным сильновзаимодействующим частицам. Но в модели Гелл-Манна кварки рассматриваются в качестве точечных лишенных структуры единиц. Из-за этого несоответствия физикам до сих пор не удается сформулировать кварковскую модель таким образом, чтобы одновременно учесть и симметрию, и силы притяжения.

За последнее десятилетие ведущие специалисты по экспериментальной физике предприняли настоящую "охоту за кварком", которая до сих пор не увенчалась успехом. Если отдельные кварки могут существовать самостоятельно, сами по себе, их детекция не должна представлять больших затруднений, так как модель Гелл-Манна приписывает им ряд очень необычных свойств, как, в частности, обладание электрическим зарядом, равным одной или двум третям заряда электрона, что принципиально невозможно в мире частиц. До сих пор таких частиц обнаружить не удавалось. Невозможность обнаружить кварки экспериментальным путем, в сочетании с серьезными теоретическими возражениями против их существования, сделали вероятность их существования довольно проблематичной.

С другой стороны, кварковая модель продолжает оставаться в высшей степени уместной для описания закономерностей мира частиц, хотя она уже давно не используется в своей первоначальной форме. Согласно формулировке Гелл-Манна, все адроны могут состоять из кварков трех типов и их антикварков, однако к настоящему времени физикам пришлось постулировать существование дополнительных кварков для того, чтобы объяснить все многообразие адронных паттернов. Три кварка Гелл-Манна получили довольно условные обозначения: u (от английского слова "up" — "вверх"), d (от английского слова "down" — "вниз) и s (от английского слова "strange" — "странный). Первым дополнением к первоначальной концепции, возникшем в результате применения кварковой гипотезы ко всему массиву данных о мире частиц, было положение, согласно которому каждый кварк должен обладать тремя потенциальными состояниями, или цветами. Слово "цвет" используется здесь довольно произвольно и не имеет ничего общего с нашим понятием цвета. Согласно модели разноцветных кварков, барионы состоят из трех кварков разных цветов, а мезоны — из пары кварк-антикварк одного и того же цвета.

Введение понятия цвета увеличило количество кварков до девяти, а недавно было постулировано существование еще одного, уже четвертого, кварка, который тоже может появляться в любом из трех цветов. Из-за любви физиков к необычным названиям этот новый кварк был обозначен при помощи буквы "с" (от английского слова "charm" — "очарование"). В результате кварков стало двенадцать — четыре разновидности, каждая из которых может существовать в трех цветах. Для того, чтобы разграничить понятия разновидности и цвета, физики ввели понятие "аромата", и говорят теперь о кварках различных цветов и ароматов.

Многообразие закономерностей, находящих объяснение при помощи этой "двенадцатикварковой" модели, представляется воистину впечатляющим (в послесловии разговор о кварках продолжается с учетом более современных исследований в этой области). Нет никакого сомнения в том, что для всех адронов характерны "кварковые симметрии", и, хотя наше сегодняшнее понимание частиц и их взаимодействий плохо соотносится с возможностью сосуществования физических кварков, адроны очень часто ведут себя таким образом, как если бы они в самом деле состояли из точечных элементарных компонентов. Парадоксальная ситуация вокруг кварковой модели очень похожа на ситуацию, сложившуюся накануне возникновения атомной физики, когда настолько же очевидная парадоксальность физической действительности побудила ученых осуществить радикальный переворот в понимании атомов. Загадка кварков обладает всеми признаками нового Коана, решение которого тоже может повлечь существенное изменение наших воззрений на природу субатомных частиц. По сути дела, это изменение уже происходит на наших глазах. Его описанию посвящены следующие главы. Некоторые физики приблизились к решению кваркового коана уже сегодня, что позволяет им соприкоснуться с наиболее удивительными сторонами физической действительности.

Обнаружение симметричных паттернов в мире частиц привело физиков к выводу о том, что эти паттерны являются отражением фундаментальных законов природы. За последние пятнадцать лет усилия многих исследователей были посвящены поиску высшей, наиболее "фундаментальной симметрии", которая была бы характерна для всех частиц, и могла бы поэтому помочь ученым понять принципы строения материи. Подобный подход был характерен для европейской науки со времен Древней Греции. Греческая наука, философия и искусство придавали очень большое значение симметрии, вкупе с геометрией, и видели в ней воплощение красоты, гармонии и совершенства. Так, например, пифагорейцы считали, что сущность всех вещей определяется симметричным числом паттернов; Платон был уверен в том, что атомы четырех элементов представляют собой твердые тела; большинство греческих астрономов придерживались концепции, согласно которой все небесные тела движутся по окружностям, поскольку круг — самая симметричная геометрическая фигура.

Восточные философы отводили симметрии совершенно другое место. Последователи дальневосточных мистических традиций часто используют симметричные паттерны при медитации или в качестве символов, однако понятие симметрии не играет заметной роли в их философии. Напротив, оно, как и все понятия, считается продуктом мыслительной деятельности человека, а не свойством, присущим самой природе. Поэтому восточные мудрецы не придают симметричности большого значения. В соответствии с этим философским подходом восточное искусство часто использует асимметричные очертания и последовательности и избегает всех правильных и геометрических форм. Во вдохновленной учением дзэн живописи Китая и Японии мы нередко встречаем изображения в так называемом "стиле одного угла": расположение камней в японских садах не подчиняется правилам симметрии, что еще раз подтверждает, что роль симметрии в восточной культуре сильно отличается от ее роли в культуре Европы.

По всей видимости, стремление к поиску фундаментальной симметрии в физике частиц является частью нашего эллинического наследия, которое, тем не менее, плохо соотносится с общим мировоззрением современной науки. Однако подчеркнутое внимание к симметриям характерно не для всех направлений физики частиц. Наряду со статическим, "симметрическим" направлением в ней представлена и "динамическая" школа, которая стремится рассматривать паттерны частицы не как конечный уровень устройства мира, а как нечто вторичное, своего рода проявление динамической природы субатомной действительности и принципиальной взаимосвязанности и нераздельной слитности всех происходящих в ней явлений. В последних двух главах повествуется о том, как в течение десяти последних лет в рамках этого динамического направления возник совершенно новый подход к рассмотрению симметрий и законов природы, который вполне гармонирует как с мировоззрением современной физики, так и с восточными мистическими учениями.

Глава 17. Модели перемен

Одна из основных задач современной физики — объяснение симметрий мира частиц при помощи динамической модели, то есть в терминах взаимодействий между частицами. Сложность, собственно говоря, заключается в том, чтобы одновременно принять во внимание теорию относительности и квантовую теорию. Паттерны частиц, вероятно, отражают "квантовую природу" этих частиц, поскольку сходные паттерны встречаются и в мире атомов. В физике частиц, однако, их невозможно объяснить как волновые паттерны, в рамках квантовой теории, поскольку вовлекаемые в эти процессы энергии столь велики, что необходимо применять теорию относительности. Поэтому для рассмотрения симметрий необходима "квантово-релятивистская" теория частиц.

Первая модель такого типа — теория квантового поля. Она прекрасно подходит для описания всех элементарных взаимодействий между электронами и фотонами, но не может помочь при рассмотрении сильных взаимодействий (в Послесловии эта сторона проблемы раскрыта более полным образом). По мере открытия новых частиц физики все больше убеждались в том, что концепция, согласно которой каждому типу частиц соответствует особая разновидность поля, является непродуктивной. Когда ученым стало ясно, что мир частиц представляет собой сложное переплетение взаимосвязанных процессов, они начали искать новые модели для объяснения этой динамической, непрестанно изменяющейся действительности. Им хотелось описать математическим языком все сложные закономерности адронных преобразований: их постоянные превращения друг в друга, взаимодействия между адронами через посредство других частиц, возникновение "связанных состояний" двух или большего количества адронов и их последующий распад на различные сочетания частиц. Все эти процессы, характерные для сильных взаимодействий и получившие общее наименование "реакций частиц", должны рассматриваться в контексте единой квантоворелятивистской адронной модели.

На сегодняшний день для описания адронов наилучшим образом подходит так называемая "теория S-матрицы". Ключевое понятие теории, S-матрица, было впервые предложено Гейзенбергом в 1943 году. За последующие два десятилетия ученые построили на его основе стройную математическую модель для описания сильных взаимодействий. S-матрица представляет собой набор вероятностей для всех возможных реакций с участием адронов. S-матрица получила такое наименование благодаря тому обстоятельству, что вся совокупность возможных адронных реакций может быть представлена в виде бесконечной последовательности ячеек, которая в математике называется матрицей. Буква "s" сохранилась от полного названия этой матрицы, которая звучит как "матрица рассеивания" (англ. "рассеивание" "scattering") и используется для обозначения процессов столкновений, или "рассеиваний", численно преобладающих среди всех реакций частиц.