Вселенная в электроне
Шрифт:
По размерам и по специфичности, выделенности своего поведения лептоны ближе к кваркам, чем к составным частицам — адронам. Ведь кварки тоже очень мелкие частички. Да и число лептонов — шесть — таково же, как число кварков в каждой цветной шеренге. Едва ли такое сходство случайно, в природе ничего не бывает «просто так»…
А что, если лептоны лежат на той же «сверхэлементарной» ступени структурной лестницы, что и кварки? Более того, может, они вообще близкие родственники?
На побережье лазурного Адриатического моря, вдали от крупных промышленных центров, расположен международный Институт теоретической физики. Он содержится на деньги многих государств, и работать туда приезжают ученые со всех краев света — от Японии до Америки. Обмен мнениями, споры, совместные
Этих физиков не смутило большое различие свойств частиц, объединенных ими в кварковое семейство, — «бестелесных», не имеющих электрического заряда и движущихся со скоростью света нейтрино, с одной стороны, и тяжелого шестого кварка с дробным зарядом и массой, больше нуклонной, — с другой. Электрические заряды лептонов 0 и 1, то есть 0/3 и 3/3, хорошо укладываются в один ряд с зарядами кварков:
Что же касается различия масс, то, по мнению Салама и Пати, это результат влияния окружающего фона. Ведь вокруг всякой частицы образуется облако испущенных ею частиц-воланчиков, которые экранируют частицу и изменяют ее свойства. Только такие заэкранированные, закутанные в облака частицы с измененными, или, как говорят физики, эффективными, свойствами и наблюдаются в опытах. Здесь мы снова встречаемся с эффектом Архимеда: внутри облака частица чувствует себя, как в ванне. А поскольку плотность и состав облака зависят от величины заряда и от других ее характеристик, вес членов кваркового семейства оказывается различным. Для одних ванна кажется наполненной водой, для других — вязким маслом, а для третьих — густым сиропом, в котором они полностью теряют свой вес и приобретают невесомость.
О том, что члены семейства-мультиплета могут иметь разные массы, известно давно. Например, заряженные пи-мезоны несколько тяжелее 0– мезона: распределенное вокруг них электрическое поле дает добавку к их весу. Однако все эти расщепления составляют проценты, а в кварк-лептонном семействе они очень великие — на малых расстояниях, в тысячи раз меньших размеров адронов, действуют более мощные силы, и энергетические «ванны» вокруг частиц оказываются весьма эффективными.
На самом деле, конечно, все обстоит значительно сложнее, даже специалистам-теоретикам здесь еще не все ясно, но в первом приближении картину можно «нарисовать» с помощью экранирующих облаков и энергетических ванн.
Новая теория сократила список независимых элементарных частиц, сделала их таблицу более стройной. Однако одного этого еще недостаточно для того, чтобы физики поверили в гипотезу о тесной связи кварков с лептонами. Ведь, по существу, новая теория лишь заменила один непонятный факт, «упрямство лептонов», другим — их «кровным родством» с кварками. Это все равно, что пытаться старую тайну объяснить с помощью новой загадки. Как говорит пословица: «Хрен редьки не слаще».
Можно придумать целую цепочку гипотез, где каждая следующая нужна лишь для оправдания предыдущей. Так однажды в наш институт пришло письмо, автор которого, десятиклассник, выдвигал гипотезу: раз все в природе развивается, то должны развиваться и частицы, поэтому нейтрино, электрон, протон и так далее — это одна и та же частица в разные периоды ее жизни. Чтобы объяснить, почему нет частиц, соответствующих промежуточным моментам времени, вводится еще одно предположение: время только кажется непрерывным, а на самом деле в нем есть прорехи, поэтому промежуточных моментов просто не существует. Дальше автор письма не пошел, но если пофантазировать, то цепочку гипотез можно продолжить. В институты приходит много подобных писем. Их общий недостаток — произвольность допущений. Современная физика (равно как и другие разделы знания) таких гипотез не признает, считает их ненаучными.
Но так было не всегда.
«Бритва Оккама»
Шесть с половиной веков отделяют нас от эпохи, когда жил Уильям Оккам — член Ордена нищенствующих монахов, человек очень образованный, выступавший с лекциями по богословию и логике. Это было время, когда наука играла роль робкой служанки церкви и ютилась на задворках монастырей и соборов. Главным «научным» доводом тогда было: «Это вытекает из святого писания», или просто: «Так угодно богу». Однако накапливались экспериментальные данные, люди все больше и больше узнавали об окружающем мире, и в среде ученых монахов
С портретного наброска в рукописи XIV века смотрит коротко остриженный, аскетического вида монах в рясе, с худым, продолговатым лицом и внимательными глазами. О его происхождении и юношеских годах мы знаем мало. Доподлинно известно лишь то, что первую часть жизни он провел в Англии, где его остроумные, часто язвительные, но всегда трудно опровергаемые выступления быстро принесли ему известность. Кончилось тем, что канцлер Оксфордского университета обвинил его в ереси и под стражей отправил в Авиньен — тогдашнюю резиденцию папы, где в ожидании суда Оккам долгих четыре года провел в заключении. Следствие тянулось, суд постоянно откладывали, а тем временем от Оккама обещаниями и угрозами старались добиться смирения и покаяния. Однажды ночью вместе с двумя другими узниками ему удалось бежать. На лошадях в большой спешке они добрались до побережья, где их ждала галера. Всю дальнейшую жизнь Оккам посвятил борьбе против папы.
В то время было обычным строить длинные схоластические рассуждения, цепляя одно предположение за другое. Для объяснений явлений природы привлекалось множество различных гипотез о всевозможных «тонких», не ощущаемых нами «флюидах», субстанциях и «сущностях». Понятно, что таким путем удавалось объяснить, а главное, согласовать со священным писанием все что угодно. В словесных дуэлях со своими противниками Оккам первым стал использовать в качестве оружия принцип: «Не следует с помощью большего делать то, чего можно достигнуть меньшей ценой», или более кратко: «Сущностей не следует умножать сверх необходимого». Этот принцип, как бритва, срезал слабо обоснованные доводы противников, позволяя вылущивать зерна истины. С тех пор «бритва Оккама» стала одним из основных принципов, краеугольным камнем научного исследования.
Второй краеугольный камень — обязательная проверка экспериментом. Были века, когда ученые не очень заботились о проверке своих теорий опытом. Доказательства на основе логических рассуждений считались более надежными и убедительными, чем эксперименты, всегда несколько неточные и зависящие от приборов. Например, крупнейший ученый древности Аристотель в своих трудах утверждал, что у женщин зубов меньше, чем у мужчин. Ему и в голову не приходило проверить это утверждение опытом, хотя он дважды был женат. Этот пример выглядит историческим анекдотом, но он правильно передает атмосферу пренебрежения к эксперименту, которая царила в науке в течение многих веков. В современной науке проверка экспериментом обязательна, опыт — главный судья. Какой бы логически стройной и замкнутой ни была теория, до тех пор, пока ее выводы не подтверждены на практике, она относится к разделу недоказанных гипотез. Если же теория такова, что ее выводы можно проверить опытом лишь когда-то в очень далеком будущем, то ученые подходят к ней с большой осторожностью.
Все вокруг радиоактивно!
Вернемся к гипотезе о кварк-глюонном родстве. Теория Салама и Пати была первой разведкой в этом направлении. Как говорил Гете, смелые мысли подобны передовым шашкам в игре — они гибнут, но обеспечивают победу! Сегодня физики отдают предпочтение другим, более совершенным вариантам теории. Но все они обладают общим недостатком: их предсказания и выводы можно проверить лишь при очень высоких энергиях, в миллиарды раз превосходящих то, что дают современные ускорители. Энергии космических частиц для этого также недостаточно. Даже у самых быстрых из них энергия в сотни раз меньше того, что нужно.
Казалось бы, кварк-лептонным теориям уготована участь пылиться в дальнем ящике письменного стола теоретиков. Есть такие теории, о которых говорят, что они «из области фантастики и, может, даже не научной»!
К счастью, природа оставила маленькую, как замочная скважина, щелку, через которую уже сегодня можно заглянуть в край сверхвысоких энергий.
В теориях, основанных на кровном родстве лептонов и кварков, пчелки-глюоны, перенося цветовую «пыльцу», могут сделать красный, синий или желтый цветок белым, то есть превратить его в лептон. Составная частица адрона, внутри которого произошло такое превращение — например протон, — сразу же распадется, поскольку частиц, состоящих из смеси лептонов и кварков, в природе нет. Подобной радиоактивности протона нет ни в одной другой теории, поэтому если ее обнаружат на опыте, это будет убедительным доказательством того, что лептоны и кварки — близкие родственники.