Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы
Шрифт:
Но можно рассмотреть еще такое преобразование: умножим функции, описывающие частицы, на постоянный множитель- изменим их калибр. Тогда окажется: для того, чтобы функции, отвечающие за полную энергию в теории Максвелла, не менялись, нужно вводить поле, кванты которого имеют нулевую массу и спин 1. Это, очевидно, и есть электромагнитное поле, так что входящую в это выражение постоянную можно отождествить с электрическим зарядом электрона.
Этот результат был известен очень давно, называется он калибровочной (или градиентной) инвариантностью уравнений Максвелла. Его воспринимали как некое чисто формальное свойство электродинамики. А сама инвариантность, согласно теореме Нётер, означала закон сохранения электрического заряда, но, поскольку никаких иных зарядов тогда не было, все эти построения принимались как чисто академические (есть такое жаргонное выражение: «наводить гигиену на физику», т. е. проводить
Но в 1954 г. Янг и Миллс обобщили эту процедуру: если ранее функции, описывающие частицы, умножали на некую постоянную, то они решили посмотреть, что произойдет, если потребовать сохранения инвариантности при умножении на функцию, меняющуюся от точки к точке (прежнюю калибровочную инвариантность назвали глобальной, т. е. единой для всего мира, а эту, новую — локальной, зависящей от рассматриваемой точки).
Первые лет десять эта работа не привлекала к себе особого внимания. Но потом теоретики спохватились: если поля, вводимые глобально, должны быть дальнодействующими (именно таково электромагнитное поле), то новые поля, вводимые локально, оказались короткодействующими. Кроме того, процедура Янга-Миллса вводила все поля и соответствующие им законы сохранения на некоей единой основе — для этого нужно было рассмотреть инвариантности уже не в обычном пространстве-времени, а в том пространстве внутренних характеристик, которое являлось обобщением изотопического пространства Гейзенберга и пространства Гелл-Манна-Неэмана.
При этом оказалось, что кваркам должны соответствовать восемь полей взаимодействия, несколько схожих с электромагнитным: кванты этих полей имеют спин 1 и не имеют массы покоя, их назвали глюонами (от английского glue — клей). Все восемь глюонов, как и фотоны, не могут переносить электрические заряды, не имеют они и барионных или лептонных зарядов, т. е. они не могут при испускании или поглощении менять аромат кварков. Но каждый глюон несет зато две цветовые характеристики и поэтому при поглощении или испускании меняет цвет кварка. По той же причине глюоны не могут оказаться свободными — для этого они должны были бы стать бесцветными. Но отсюда следует возможность вылета из частицы бесцветной группы глюонов, так называемого глюбола, порождающего струи адронов — в отличие от фотонов глюоны могут достаточно легко взаимодействовать друг с другом, порождать кварк-антикварковые пары, а затем и адроны, считается даже, что на долю глюонов приходится около половины всей энергии (массы) барионов.
Самое удивительное свойство кварков и глюонов — это явление асимптотической свободы: если сила взаимодействия электрических зарядов убывает с расстоянием (вспомните закон Кулона), то у этих частиц — возрастает (как у растягиваемой пружины), и поэтому на близких расстояниях они могут рассматриваться как свободные! Но отсюда следует, что при рассеянии налетающих частиц с высокой энергией, скажем, на протоне эти частицы рассеиваются как бы на отдельных центрах — кварках (возможно, с участием глюонов).
Таким образом подтверждается модель партонов, выдвинутая Фейнманом, а любой барион можно при таких энергиях рассматривать как «мешок с кварками». Парадоксальным выглядит и такое положение: чем выше энергия, тем проще рассчитывать процессы с участием этих частиц — в КЭД, как и в классической физике, прямо наоборот: чем выше энергия, тем большее количество процессов становится возможным, и тем труднее предсказывать результат.
Тут сразу же возникает вопрос: а что если выбить из нуклона такой партон, каким он будет? Такие опыты, процессы глубоко неупругого рассеяния, конечно, ставились: при этом из нуклона вылетают две противоположно направленные адронные струи, два глюбола, но состоят они из «целых» частиц и отдельных кварков или глюонов не содержат.
Квантовая хромодинамика (КХД) еще очень далека от своего завершения, поэтому при рассмотрении процессов с сильными взаимодействиями часто приходится строить различные специфические модели, развивать частные теории. Однако за все годы развития физики сильных взаимодействий (их нужно отсчитывать, по крайней мере, от появления теории ядерных сил Юкавы в 1935 г.) — это первая и самая стройная теория таких взаимодействий.
Верхний ряд: первая марка слева посвящена объединению слабых и элетромагнитнх взаимодействий (Глэшоу, Вейнберг, Салам), вторая — открытию промежуточных мезонов (Руббиа), третья — приобретению частицами массы за счет гипотетического механизма Хиггса. В нижнем ряду: первая марка слева — выявление трех "поколений" основных частиц, лептонов и кварков, вторая —
Последние десятилетия своей жизни Эйнштейн посвятил попыткам создания единой теории поля: объединению электромагнетизма и гравитации. В речи, посвященной Планку, он говорил: «Высшим долгом физиков является поиск тех общих элементарных законов, из которых путем дедукции можно получить картину мира. К этим законам ведет не логический путь, а только основанная на опыте интуиция… Душевное состояние, способствующее такому труду, подобно чувству верующего или влюбленного».
В течение многих лет над этими попытками слегка посмеивались — причуда гения, чисто философское построение, такое объединение в принципе невозможно! Сейчас становится яснее, что Эйнштейн, по-видимому, просто слишком опережал свое время: не были еще известны все виды взаимодействия, а ведущая его идея — идея фундаментального единства сил природы — вполне работоспособна!
В последние десятилетия фундаментальная физика развивается в направлении, предвиденном Эйнштейном — это теории великого объединения, суперсимметрии, струн. Рассмотрим, очень кратко, идеи, лежащие в их основе.
Начать следует с того, что три типа взаимодействия (слабое, электромагнитное и сильное) строятся по одной модели: основные фермионы — это кварки и лептоны — взаимодействуют через обмен квантами калибровочных полей — глюонами и промежуточными бозонами (фотон и три векторных мезона). Кроме того, при очень больших энергиях слабое и электромагнитное взаимодействия объединяются в электрослабое взаимодействие.
Теперь естественно попытаться присоединить к этим двум и сильное взаимодействие, т. е. попробовать выяснить, не могут ли все эти три столь различных вида, совпадать при каких-то условиях. Поскольку интенсивность кварк-глюонных взаимодействий падает с расстоянием, а вероятности электрослабых, напротив, растут, то такую область можно найти — она оказывается на уровне энергий 1014 ГэВ, что очень далеко выходит за все мыслимые возможности аппаратуры и соответствует расстояниям в 10– 28 см (напомним, что размер атомного ядра — порядка 10– 12 см). Однако, во-первых, некоторые ее следствия могут проявиться при гораздо более низких энергиях, во-вторых, такая система может прояснить ряд принципиальных проблем уже существующих, вполне земных теорий (в частности, дать возможность, наконец, теоретически вычислить величину заряда электрона — сейчас она берется из эксперимента), а в-третьих, она необходима для решения проблем космологии (об этом ниже).
Такие модели (их несколько) рассматривают все частицы сгруппированными в поколения фермионов — сейчас известны три поколения, каждое включает два кварка и два лептона, и каждому соответствует такое же семейство античастиц:
(u, d, e– , е), (c, s, – , ), (t, b, – , ),
причем каждый кварк существует в трех цветовых модификациях.
При этом в ряде моделей уже предполагается нарушение закона сохранения барионного числа, сохраняется лишь разность барионного и лептонного чисел, а также электрический заряд. Поэтому теория допускает возможность распада протона на позитрон и пи-ноль-мезон и т. п. (первым такую гипотезу с учетом несохранения СР-инвариантности выдвинул еще в 1967 г. А. Д. Сахаров). Однако время жизни протона при этом оказывается не менее 1030 лет, что на много порядков превосходит время существования Вселенной и означает, что такие случаи должны быть очень редки, хотя и могут быть, в принципе, обнаружены (несколько сообщений о наблюдении распада протона были затем опровергнуты). Того же порядка — рассчитанная вероятность превращения нейтрона в антинейтрон. Более перспективными выглядят сравнение распадов некоторых тяжелых мезонов и их античастиц и поиски превращения одних в другие, когда нарушается закон сохранения барионного заряда на уровне кварков высших ароматов — такие поиски активно продолжаются, они представляются доступными на современных ускорителях, хотя и требуют многих усилий.