Страница:
усиливаетцветовой заряд центрального кварка, а не ослабляет его.
Это обстоятельство оказывает серьезное влияние на взаимодействие кварков. Когда кварк проникает в облако виртуальных частиц своего “партнера”, эффективный цветовой заряд кварка внутри облака ослабевает, и взаимодействие уменьшается. Вторгшись внутрь облака, кварк избавляется от взаимодействия с другими кварками. Ослабевая, взаимодействие между кварками утрачивает свою силу. Подобная ситуация прямо противоположна той, с которой мы сталкиваемся в электромагнетизме, и как раз пригодна для объяснения пленения ксарков.
Было бы преждевременно предсказывать КХД беспрецедентный успех, сопутствовавший КЭД на протяжении более сорока лет ее существования. Тем не менее достижения КХД весьма впечатляющи. Еще в 60-е годы физика адронов казалась запутанным переплетением сил и необузданных частиц. КХД распутала этот клубок, заложив простые основы теории адронов со сравнительно небольшим числом параметров.
Если электрослабое и сильное взаимодействия в действительности представляют собой лишь две стороны великого единого взаимодействия, то последнему должно соответствовать калибровочное поле с детально разработанной симметрией, достаточно широкой, чтобы охватить все калибровочные симметрии, содержащиеся в КХД и теории Вайнберга — Салама. Отыскание такой симметрии — задача математики. Единой симметрии, которая обладала бы всеми нужными свойствами, не существует, отсюда и обилие конкурирующих теорий. Тем не менее все ТВО имеют ряд общих особенностей.
Одна из них состоит в том, что кварки, источники (носители) сильного взаимодействия, и лептоны, источники (носители) электрослабого взаимодействия, включаются в единую теоретическую схему. До сих пор кварки и лептоны рассматривались как совершенно различные объекты, так что их включение в единую теорию было совершенно новой идеей. Оно ознаменовало еще один важный шаг на пути к объединению.
Калибровочные симметрии, входящие в ТВО, можно наглядно представить с помощью все той же “волшебной ручки”, перемешивающей природу частиц, но с большим числом указателей. Вместо двух указателей, как в случае электрослабого взаимодействия, и трех — в случае КХД, теперь требуется пять указателей. От поворота ручки ТВО зависит очень многое. Ручки с пятью указателями позволяют делать то, что было не под силу ручкам с меньшим числом указателей: превращать кварки в лептоны и даже в антикварки, т.е. осуществлять переходы, абсолютно запрещенные в прежних теориях.
Как и прежде, требование, чтобы в природе с помощью компенсирующих полей соблюдалась абстрактная калибровочная симметрия (на этот раз более широкая), приводит нас к открытию (чисто теоретическому) новых типов полей, обладающих новыми свойствами, например способностью превращать кварки в лептоны. В простейшем варианте ТВО, предложенном Джорджи и Глэшоу, волшебная ручка связывает вместе красные, зеленые и синие d-кварки, позитрон и антинейтрино. Для этого требуется двадцать четыре поля. Двенадцать из квантов этих полей уже известны: фотон, две W-частицы, Z-частица и восемь глюонов.
Остальные двенадцать квантов — новые, объединенные общим названием Х-частицы. Эти кванты соответствуют полям, поддерживающим более широкую калибровочную симметрию и перемешивающим кварки с лептонами (это соответствует положениям волшебной ручки, при которых происходит смешивание, например, красного d-кварка и позитрона). Следовательно, кванты этих полей, Х-частицы, могут превращать кварки в лептоны (и наоборот), если те обмениваются ими как переносчиками взаимодей-ствия. Электрический заряд Х-частиц равен 1/3 и 4/3.
Проследим теперь за судьбой типичного адрона, который испытывает на себе действие этих необычных Х-частиц. В качестве такого адрона удобно выбрать протон, состоящий из двух u-кварков и одного d-кварка. d -Кварк смешивается с позитроном посредством великой калибровочной симметрии Великого объединения в может превращаться в позитрон путем обмена Х-частицей с нужными характеристиками, в данном случае с надлежащим цветовым зарядом и электрическим зарядом —4/3. Эта Х-частица должна быть передана какой-то другой частице, которой может служить один из u-кварков протона. Поглощая Х-частицу, и-кварк превращается в антии-кварк.
Происходит нечто замечательное. То, что в самом начале было комбинацией двух u-кварков и одного d-кварка, превратилось в позитрон и пару кварк — антикварк. Позитрон не участвует в сильном взаимодействии и поэтому вылетает из адрона, тогда как оставшаяся пара кварк — антикварк образует уже не протон, а мезон (точнее, пион). С точки зрения экспериментатора, эта последовательность событий выглядит как распад протонана позитрон и пион.
На протяжении всей истории физики элементарных частиц незыблемым правилом всегда оставалась абсолютная стабильность протона. Ведь обычное вещество построено из протонов. Предсказание ТВО, что протон может оказаться нестабильным и распадаться, было ошеломляющим. Из него следует, что все вещество в конечном счете нестабильно и, следовательно, не вечно — вывод, безусловно, чрезвычайно глубокий.
В начале зимы 1974г. я ехал на машине из Лондона на конференцию в Резерфордовскую лабораторию, расположенную близ Оксфорда. Одним из моих попутчиков был Абдус Садам, и разговор зашел о содержании доклада, с которым он собирался выступить. Салам сказал, что у него есть кое-какие идеи о возможности распада протонов. Помню, что сама мысль о распаде протона смутила меня, и я отнесся к ней не без изрядной доли скептицизма. В назначенное время Салам сделал свой доклад, который оказался весьма пророческим. Но эта конференция запомнилась мне беседой с Стивеном Хокингом из Кембриджского университета, который сообщил о своем сенсационном открытии; ему удалось доказать, что черные дыры неустойчивы и в конце концов взрываются, создавая потоки радиации. Небезынтересно, что процесc Хокинга, как стало ясно автору открытия спустя несколько лет, может также вызвать распад протона. Квантовые эффекты позволяют протону путем спонтанного туннелирования превращаться в виртуальную черную дыру, которая затем испаряется (что описывается процессом Хокинга), испуская при этом позитрон. Однако распад протона через черную дыру менее вероятен, чем по схеме ТВО.
Ясно, что внезапное исчезновение протона — событие, которое не может не привлечь острого внимания специалистов по физике элементарных частиц; в этой связи возникает вопрос, почему распад протона не был открыт давным-давно. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо выяснить, какую скоростьраспада предсказывает теория. Исследование радиоактивности показывает, что период полураспада может изменяться в широких пределах
в зависимости от силы взаимодействия, вызывающего распад, и масс, участвующих в распаде частиц. В случае распада протона решающее значение имеет масса Х-частицы, которая, согласно “правилам игры”, определяет ее пробег. Если Х-частица очень массивна, то сфера ее действия сильно ограничена. Чтобы произошел распад протона, два участвующих в нем кварка должны сблизиться на расстояние, при котором возможен обмен Х-частицей, а это происходит чрезвычайно редко. По этой причине распад протона не наблюдался на опыте. Используя самые точные из имеющихся на сегодня оценок периода полураспада протона и решая обратную задачу, физики пришли к заключению, что масса Х-частицы составляет примерно 1014 масс прочена, т.е. колоссальную величину, по сравнению с которой масса самой тяжелой из известных ныне частиц, Z, равная примерно 90 массам протона, пренебрежимо мала.
Прежде чем подробнее остановиться на столь ошеломляющей цифре, необходимо разрешить один кажущийся парадокс. Возможно, читателя обескуражит утверждение, что протон может содержать внутри частицу — переносчик взаимодействия, которая в 1014 раз тяжелее его самого. Это кажущееся противоречие разрешает принцип неопределенности Гейзенберга. Напомним, что Х-частица существует лишь короткое мгновение, на протяжении которого два кварка, сблизившиеся до очень малого расстояния, обмениваются ею. На протяжении столь коротких интервалов времени энергия, а следовательно, и масса будут иметь громадную неопределенность.
С помощью принципа неопределенности квантовая теория устанавливает связь между энергией (или массой) и расстоянием. Следовательно, масштаб масс автоматически определяет масштаб расстояний. Физические явления, происходящие в некотором пространственном масштабе, — это процессы, играющие важную роль при определенной энергии (или массе). Именно 'поэтому для исследования происходящего на малых расстояниях необходимы ускорители частиц очень высоких энергий. Масштаб масс Х-частиц задает соответствующий пространственный масштаб — грубо говоря, расстояние, которое проходят Х-частицы, перенося взаимодействие. Это расстояние равно примерно 10-29 см. Таков пробег Х-частиц; его величина говорит о расстоянии, на которое должны сблизиться два кварка, чтобы произошел обмен Х-частицей, приводящий к распаду протона. 10-29 см по сравнению с размером протона — это примерно то же, что пылинка по сравнению с Солнечной системой. Масштаб пространства, где господствуют ТВО и происходит распад протона, в триллионы раз мельче мира кварков и глюонов, который нам до сих пор удавалось исследовать с помощью ускорителей. Он напоминает вселенную внутри протона, которая недоступна нам в силу своей малости, как недоступны внегалактические пространства из-за их удаленности. Для прямого зондирования этой Лилипутии при шлось бы построить ускоритель, превосходящий по своим размерам Солнечную систему.
Любая полная теория существующих в природе взаимодействий должна объяснять относительную величину каждого из них. Создатели ТВО быстро продемонстрировали, каким образом их теория могли бы объяснить огромное различие в величинах электрослабого и сильного взаимодействий. Реальная величина этих взаимодействий — не то, что измеряют экспериментаторы, наблюдая за превращениями субатомных частиц, поскольку, как уже говорилось, все источники различных полей экранируются вследствие поляризации вакуума. Экранировка приводит к тому, что электромагнитное взаимодействие на малых расстояниях усиливается, а сильное — ослабевает, и их величины выравниваются. Когда величина слабого взаимодействия подобрана так, чтобы произошло нарушение симметрии, это взаимодействие вклинивается между двумя другими и, подобно сильному взаимодействию, испытывает антиэкранировку, т.е. ослабевает на малых расстояниях. Интересно оценить, на каком расстоянии все три взаимодействия станут сравнимы по величине. Оно снова оказывается равным примерно 10-28 см, т.е. в точности совпадает с масштабом расстояний, соответствующим массе Х-частиц. Приятное совпадение.
Результат этого анализа заключается в следующем: при ультра высоких энергиях (что эквивалентно ничтожно малым расстояниям) электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия сливаются в одно взаимодействие и различие между кварками и лептонами исчезает. Взаимодействия и частицы в мире нашего опыта воспринимаются нами как совершенно различные явления, поскольку мы исследуем вещество при сравнительно низких энергиях. Физики называют величину, равную 1014 массам протона, масштабом объединения. Значение этого числа поистине потрясает.
Прежде чем двигаться дальше, необходимо оценить состояние теорий Великого объединения. Создавая Великое объединение трех взаимодействий, ТВО существенно уменьшают число произвольных параметров, используемых для описания природы. Менее амбициозная теория Вайнберга — Салама содержит постоянные, значения которых можно определить из эксперимента. В ТВО некоторые из этих чисел уже нельзя задать ad hoc,а следует определить из теории.
ТВО обладают и некоторыми неожиданными преимуществами. Одно из них — возможность объяснить старую загадку: почему электрические заряды всегда кратны одной и той же фундаментальной единице? Если принять заряд электрона за —1, а заряд протона за +1, то наименьший из возможных зарядов, — 1/3,имеет d-кварк. Все остальные заряды, независимо от того, являются ли их носителями кварки, лептоны или переносчики взаимодействия, равны небольшому целому кратному этого значения. До создания ТВО было неясно, почему не могут существовать частицы с любым зарядом, например с зарядом, равным лфундаментальных единиц. Единая теория не допускает существования таких зарядов. Жесткие правила отбора допустимых зарядов обусловлены тем, что все частицы принадлежат большим семействам, члены которых могут обмениваться частицами — переносчиками взаимодействия, имеющими заряды, равные фиксированному числу единиц заряда. Например, при распаде протона, когда d-кварк превращается в позитрон и передает заряд —4/3 Х-частице, поглощающий ее м-кварк должен приобрести (в результате поглощения Х-частицы) заряд, соответствующий заряду возникающего при этом антикварка. Вся арифметика должна сходиться. Это означает, что все частицы семейства должны иметь заряды, равные небольшим целым кратным друг друга (или вообще не иметь заряда).
Среди аргументов против различных ТВО называют отсутствие однозначной теории и масштаб объединения, столь далекий, что вряд ли эта теория когда-нибудь будет доступна непосредственной экспериментальной проверке. Как же в таком случае выбрать одну из соперничающих теорий? Если ТВО описывают природу в столь малых масштабах и при столь высоких энергиях, которые мы никогда не сможем наблюдать, то не превратится ли физика в метафизику? Не находимся ли мы в положении Демокрита и других греческих философов, которые без конца размышляли о формах и свойствах атомов, не имея ни малейшей надежды наблюдать их?
Некоторые физики пылко надеются, что это не так, и указывают три спасительные путеводные нити, которые позволяют нам сохранить власть над физикой в масштабе объединения. Рассмотрим каждую из них в отдельности.
9. Проблески суперсилы
Подобно многим выдающимся физикам-теоретикам, Вайнберг на несколько шагов опередил экспериментаторов. Его интересы уже давно переместились с электрослабой теории на Великое объединение и далее. Пессимизм Вайнберга был вызван не прекрасным положительным результатом, полученным в ЦЕРНе, а получившим меньшую огласку отрицательным результатом, сообщение о котором поступило с озера Эри.
Эксперимент на озере Эри был одним из нескольких экспериментов, повторенных в разных уголках мира, на которые возлагалась наибольшая, а возможно, и единственная надежда проверить ТВО и хотя бы мельком увидеть бледную тень физики в масштабах объединения. Все эти эксперименты преследовали одну цель — обнаружить распад хотя бы одного протона. Сенсационное предсказание ТВО нестабильности протона для большинства физиков явилось чем-то вроде грома среди ясного неба, хотя, как я уже говорил, мысль об этом в течение нескольких лет буквально носилась в воздухе. Долгое время проводились эксперименты по определению пределов времени жизни протонов, но все эти эксперименты были выдержаны в традиционном духе. Никто всерьез не ожидал обнаружить распад протона.
Когда из ТВО выяснилось, что массы, соответствующие объединению, составляют примерно 10^14 масс протона, сразу стало ясно, что физикам никогда не удастся исследовать явления, сопутствующие Великому объединению, в прямых экспериментах. Единственной надеждой была проверка какого-нибудь косвенного эффекта, предсказываемого ТВО, и выбор пал на распад протона. Предсказываемое теорией точное значение среднего времени жизни протона зависит от выбранного варианта ТВО, но в большинстве теорий, в том числе в простейшей из них (известной под названием минимальное SU (5), это время оценивалось примерно в 10^31 лет. Это в 10^21 раз больше возраста нашей Вселенной.
Как можно наблюдать процесс, который длится несравненно дольше возраста доступной наблюдению Вселенной? Но дело в том, что отнюдь не каждый протон живет до своего распада 10^31 лет. Согласно квантовой физике, каждый отдельный распад происходит непредсказуемо. 10^31 лет соответствует среднему времени жизни протона. Это означает, что если собрать 10^31 протонов, то можно быть уверенным, что за год-два один из протонов распадется. Именно из этого исходят при проведении всех экспериментов по распаду протона. Многие тонны вещества размещаются вне зоны влияния космических лучей и подвергаются непрерывному контролю с целью обнаружить внезапный единичный распад протона. Космические лучи — основная помеха в таких исследованиях: они загружают чувствительные приборы всевозможными посторонними частицами. Чтобы избежать этих помех, эксперимент приходится проводить у подножия горы или в глубокой шахте. Но и в этом случае невозможно избавиться от нейтрино.
До ТВО время жизни протона по самым точным оценкам составляло 10^28 лет. Это весьма впечатляющее число, хотя оно относится к событию, которое никогда не происходило. Должно быть, это наиболее достоверный пример события, о котором известно, что оно не произойдет. Что еще заведомо известно из прямого эксперимента о том, что не произойдетпо крайней мере 10^28 лет? С появлением ТВО измерения времени жизни протона обрели главный стимул. Для подтверждения ТВО точность эксперимента требовалось повысить по крайней мере в тысячу раз, а это означало необходимость более сложных и дорогих экспериментальных установок.
Перспектива обнаружить распад протона настолько завладела умами физиков, что в исследования включилось несколько групп. Одной из первых была совместная японо-индийская группа, соорудившая глубоко под землей, в одной из шахт в Индии своего рода слоеный пирог из железных плит. Эта на первый взгляд абсолютно безжизненная глыба вещества была окружена детекторами частиц, готовыми зарегистрировать продукты распада протона. Ранней весной 1982 г. появилось первое сообщение. Было зарегистрировано несколько “событий-кандидатов”, на основании которых время жизни протона было оценено примерно в 10^31 лет, как предсказывала простейшая версия ТВО.
Известие было встречено с огромным интересом, хотя и с определенной осторожностью. Дело в том, что даже на тон глубине, где проводился эксперимент, распад протона вполне могли имитировать космические лучи и нейтрино. Чтобы подтвердить полученные результаты и вселить уверенность в физиков, требовались другие эксперименты. Через несколько месяцев группа из ЦЕРНа, проводившая эксперимент под Монбланом, также зарегистрировала событие, внешне выглядевшее как распад протона, и интерес к распаду протона стал возрастать. Казалось, мы подошли обнадеживающе близко к порогу новой области в физике.
Большое внимание было уделено последствиям нестабильности протона. Ведь протоны — строительный материал ядерного вещества. Если протонам предстоит распасться, то это означает исчезновение в конце концов и нашей Вселенной. Произойдет это, разумеется не вдруг и не сразу. Но постепенно, на протяжении космических эпох все вещество будет неумолимо улетучиваться. Если оценка 10^31 лет верна, то это означает, что на протяжении жизни человека в его теле с вероятностью, близкой к единице, распадается по крайней мере один протон.
А как обстоит дело с другими составными частями атомов — нейтронами и электронами? Процесс, ведущий к распаду протона, может вызвать и распад нейтронов, хотя многие нейтроны претерпевают более обычный бета-распад. Каждый протон, распадаясь, оставляет свой электрический заряд позитрону — аналогу электрона в антивеществах. Каждый образовавшийся в результате этого позитрон будет искать свою античастицу — электрон и уничтожать его в процессе аннигиляции. Поскольку вначале электронов во Вселенной было ровно столько, сколько протонов, вполне вероятно, что электрон-позитронная аннигиляция в конце концов приведет к полному уничтожению электронов во Вселенной. Таким образом, в конечном итоге 10^40 т вещества в видимой части Вселенной однажды обратятся в прах. Печальная перспектива!
Чтобы быть уверенным в такой перспективе, физикам прежде всего необходимо удостовериться в правильности утверждения о реальности распада протона. По всему миру были проведены более точные эксперименты. Один из самых точных проводился в соляной шахте на глубине 600 м под озером Эри. Использованные в этом эксперименте протоны содержались в 8000 т тщательно очищенной воды, залитой в резервуар, имеющий форму куба с длиной ребра около 18м. В воду были погружены 2000 фотоумножителей. Им предстояло зарегистрировать мгновенные импульсы света, возникающие при движении быстрых заряженных частиц в плотной среде. Замысел состоял в том, что такие короткие вспышки света должны были свидетельствовать о появлении высокоэнергетических продуктов распада протона. Если опенка времени жизни протона 1031 лет верна, то в эксперименте на озере Эри в течение первых трех месяцев работы установки должно быть зарегистрировано несколько таких распадов. В действительности же не удалось наблюдать ни одного распада протона. Складывалось впечатление, что предыдущие сообщения были ошибочными, и надежды на то, что удастся наблюдать распад протона, начали угасать.
Этот отрицательный результат не опроверг ТВО, но, по-видимому, исключил простейшие версии Великого объединения. Существуют более сложные теории, предсказывающие гораздо большее время жизни протона, но и в этом случае маловероятно, что мы когда-нибудь станем свидетелями распада протона; точность экспериментов стремительно приближается к теоретическому пределу.
По мере того как становилось все яснее, что попытки обнаружить распад протона обречены на неудачу, все больше внимания стал привлекать единственно известный экспериментальный способ увидеть хотя бы смутные очертания физики, соответствующей масштабу объединения. Я имею в виду магнитный монополь.
У любого обычного стержневого магнита есть северный и южный полюса, но более глубокий анализ показывает, что магнетизм в действительности обусловлен электрическими токами, циркулирующими в атомах. Так как виток с током эквивалентен паремагнитных полюсов — северному с одной стороны витка и южному — с другой, магнит представляет собой “диполь”, т.е. имеет одновременно и северный, и южный полюса. Виток с током не может иметь только один полюс, подобно тому, как монета не может иметь лишь одну сторону. От магнита нельзя отделить один полюс, т.е. создать монополь.
Исследования показывают, что все магниты представляют собой диполи. Магнитные монополи, если они существуют, должны быть крайне неуловимы. Систематическое изучение горных пород, в том числе и лунного грунта и проб, взятых со дна океана, не обнаружило ни одного отдельного магнитного заряда. Многие физики склонны думать, что магнитных монополей не существует. Если это действительно так, то магнетизм — всего лишь вторичный продукт электричества. Принять такую гипотезу это значит признать, что в природе не существует симметрии между электричеством и магнетизмом.
В 1931 г. английский физик-теоретик Поль Дирак обнаружил, что в квантовой физике определенно есть место магнитным монополям, хотя в природе такая возможность не используется. Связав существование магнитных монополей с фазами квантовых волн, Дирак обнаружил весьма любопытную связь между электрическим и магнитным зарядами. Если магнитный монополь действительно существует, утверждал Дирак, то магнитный заряд должен быть кратен некоторой заданной величине, которая в свою очередь определяется фундаментальной величиной электрического заряда. Следовательно, если монополь вдруг заявит о себе, мы по крайней мере знаем, какой величины должен быть магнитный заряд.
Это обстоятельство оказывает серьезное влияние на взаимодействие кварков. Когда кварк проникает в облако виртуальных частиц своего “партнера”, эффективный цветовой заряд кварка внутри облака ослабевает, и взаимодействие уменьшается. Вторгшись внутрь облака, кварк избавляется от взаимодействия с другими кварками. Ослабевая, взаимодействие между кварками утрачивает свою силу. Подобная ситуация прямо противоположна той, с которой мы сталкиваемся в электромагнетизме, и как раз пригодна для объяснения пленения ксарков.
Было бы преждевременно предсказывать КХД беспрецедентный успех, сопутствовавший КЭД на протяжении более сорока лет ее существования. Тем не менее достижения КХД весьма впечатляющи. Еще в 60-е годы физика адронов казалась запутанным переплетением сил и необузданных частиц. КХД распутала этот клубок, заложив простые основы теории адронов со сравнительно небольшим числом параметров.
Великое объединение
С появлением КХД все существующие в природе взаимодействия, наконец, приобрели единое описание на основе калибровочных полей. Это принесло новые надежды. Успешное объединение слабого и электромагнитного взаимодействий в рамках теории калибровочных полей подсказало возможность дальнейшего объединения. В 1973 г. Шелдон Глэшоу и Говард Джорджи опубликовали теорию, в которой новое электрослабое взаимодействие сливалось б сильным (глюонным) в великое единое взаимодействие. Это была первая теория Великого объединения, ТВО. Ныне существует несколько конкурирующих ТВО, но все они основаны на одной и той же идее.Если электрослабое и сильное взаимодействия в действительности представляют собой лишь две стороны великого единого взаимодействия, то последнему должно соответствовать калибровочное поле с детально разработанной симметрией, достаточно широкой, чтобы охватить все калибровочные симметрии, содержащиеся в КХД и теории Вайнберга — Салама. Отыскание такой симметрии — задача математики. Единой симметрии, которая обладала бы всеми нужными свойствами, не существует, отсюда и обилие конкурирующих теорий. Тем не менее все ТВО имеют ряд общих особенностей.
Одна из них состоит в том, что кварки, источники (носители) сильного взаимодействия, и лептоны, источники (носители) электрослабого взаимодействия, включаются в единую теоретическую схему. До сих пор кварки и лептоны рассматривались как совершенно различные объекты, так что их включение в единую теорию было совершенно новой идеей. Оно ознаменовало еще один важный шаг на пути к объединению.
Калибровочные симметрии, входящие в ТВО, можно наглядно представить с помощью все той же “волшебной ручки”, перемешивающей природу частиц, но с большим числом указателей. Вместо двух указателей, как в случае электрослабого взаимодействия, и трех — в случае КХД, теперь требуется пять указателей. От поворота ручки ТВО зависит очень многое. Ручки с пятью указателями позволяют делать то, что было не под силу ручкам с меньшим числом указателей: превращать кварки в лептоны и даже в антикварки, т.е. осуществлять переходы, абсолютно запрещенные в прежних теориях.
Как и прежде, требование, чтобы в природе с помощью компенсирующих полей соблюдалась абстрактная калибровочная симметрия (на этот раз более широкая), приводит нас к открытию (чисто теоретическому) новых типов полей, обладающих новыми свойствами, например способностью превращать кварки в лептоны. В простейшем варианте ТВО, предложенном Джорджи и Глэшоу, волшебная ручка связывает вместе красные, зеленые и синие d-кварки, позитрон и антинейтрино. Для этого требуется двадцать четыре поля. Двенадцать из квантов этих полей уже известны: фотон, две W-частицы, Z-частица и восемь глюонов.
Остальные двенадцать квантов — новые, объединенные общим названием Х-частицы. Эти кванты соответствуют полям, поддерживающим более широкую калибровочную симметрию и перемешивающим кварки с лептонами (это соответствует положениям волшебной ручки, при которых происходит смешивание, например, красного d-кварка и позитрона). Следовательно, кванты этих полей, Х-частицы, могут превращать кварки в лептоны (и наоборот), если те обмениваются ими как переносчиками взаимодей-ствия. Электрический заряд Х-частиц равен 1/3 и 4/3.
Проследим теперь за судьбой типичного адрона, который испытывает на себе действие этих необычных Х-частиц. В качестве такого адрона удобно выбрать протон, состоящий из двух u-кварков и одного d-кварка. d -Кварк смешивается с позитроном посредством великой калибровочной симметрии Великого объединения в может превращаться в позитрон путем обмена Х-частицей с нужными характеристиками, в данном случае с надлежащим цветовым зарядом и электрическим зарядом —4/3. Эта Х-частица должна быть передана какой-то другой частице, которой может служить один из u-кварков протона. Поглощая Х-частицу, и-кварк превращается в антии-кварк.
Происходит нечто замечательное. То, что в самом начале было комбинацией двух u-кварков и одного d-кварка, превратилось в позитрон и пару кварк — антикварк. Позитрон не участвует в сильном взаимодействии и поэтому вылетает из адрона, тогда как оставшаяся пара кварк — антикварк образует уже не протон, а мезон (точнее, пион). С точки зрения экспериментатора, эта последовательность событий выглядит как распад протонана позитрон и пион.
На протяжении всей истории физики элементарных частиц незыблемым правилом всегда оставалась абсолютная стабильность протона. Ведь обычное вещество построено из протонов. Предсказание ТВО, что протон может оказаться нестабильным и распадаться, было ошеломляющим. Из него следует, что все вещество в конечном счете нестабильно и, следовательно, не вечно — вывод, безусловно, чрезвычайно глубокий.
В начале зимы 1974г. я ехал на машине из Лондона на конференцию в Резерфордовскую лабораторию, расположенную близ Оксфорда. Одним из моих попутчиков был Абдус Садам, и разговор зашел о содержании доклада, с которым он собирался выступить. Салам сказал, что у него есть кое-какие идеи о возможности распада протонов. Помню, что сама мысль о распаде протона смутила меня, и я отнесся к ней не без изрядной доли скептицизма. В назначенное время Салам сделал свой доклад, который оказался весьма пророческим. Но эта конференция запомнилась мне беседой с Стивеном Хокингом из Кембриджского университета, который сообщил о своем сенсационном открытии; ему удалось доказать, что черные дыры неустойчивы и в конце концов взрываются, создавая потоки радиации. Небезынтересно, что процесc Хокинга, как стало ясно автору открытия спустя несколько лет, может также вызвать распад протона. Квантовые эффекты позволяют протону путем спонтанного туннелирования превращаться в виртуальную черную дыру, которая затем испаряется (что описывается процессом Хокинга), испуская при этом позитрон. Однако распад протона через черную дыру менее вероятен, чем по схеме ТВО.
Ясно, что внезапное исчезновение протона — событие, которое не может не привлечь острого внимания специалистов по физике элементарных частиц; в этой связи возникает вопрос, почему распад протона не был открыт давным-давно. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо выяснить, какую скоростьраспада предсказывает теория. Исследование радиоактивности показывает, что период полураспада может изменяться в широких пределах
в зависимости от силы взаимодействия, вызывающего распад, и масс, участвующих в распаде частиц. В случае распада протона решающее значение имеет масса Х-частицы, которая, согласно “правилам игры”, определяет ее пробег. Если Х-частица очень массивна, то сфера ее действия сильно ограничена. Чтобы произошел распад протона, два участвующих в нем кварка должны сблизиться на расстояние, при котором возможен обмен Х-частицей, а это происходит чрезвычайно редко. По этой причине распад протона не наблюдался на опыте. Используя самые точные из имеющихся на сегодня оценок периода полураспада протона и решая обратную задачу, физики пришли к заключению, что масса Х-частицы составляет примерно 1014 масс прочена, т.е. колоссальную величину, по сравнению с которой масса самой тяжелой из известных ныне частиц, Z, равная примерно 90 массам протона, пренебрежимо мала.
Прежде чем подробнее остановиться на столь ошеломляющей цифре, необходимо разрешить один кажущийся парадокс. Возможно, читателя обескуражит утверждение, что протон может содержать внутри частицу — переносчик взаимодействия, которая в 1014 раз тяжелее его самого. Это кажущееся противоречие разрешает принцип неопределенности Гейзенберга. Напомним, что Х-частица существует лишь короткое мгновение, на протяжении которого два кварка, сблизившиеся до очень малого расстояния, обмениваются ею. На протяжении столь коротких интервалов времени энергия, а следовательно, и масса будут иметь громадную неопределенность.
С помощью принципа неопределенности квантовая теория устанавливает связь между энергией (или массой) и расстоянием. Следовательно, масштаб масс автоматически определяет масштаб расстояний. Физические явления, происходящие в некотором пространственном масштабе, — это процессы, играющие важную роль при определенной энергии (или массе). Именно 'поэтому для исследования происходящего на малых расстояниях необходимы ускорители частиц очень высоких энергий. Масштаб масс Х-частиц задает соответствующий пространственный масштаб — грубо говоря, расстояние, которое проходят Х-частицы, перенося взаимодействие. Это расстояние равно примерно 10-29 см. Таков пробег Х-частиц; его величина говорит о расстоянии, на которое должны сблизиться два кварка, чтобы произошел обмен Х-частицей, приводящий к распаду протона. 10-29 см по сравнению с размером протона — это примерно то же, что пылинка по сравнению с Солнечной системой. Масштаб пространства, где господствуют ТВО и происходит распад протона, в триллионы раз мельче мира кварков и глюонов, который нам до сих пор удавалось исследовать с помощью ускорителей. Он напоминает вселенную внутри протона, которая недоступна нам в силу своей малости, как недоступны внегалактические пространства из-за их удаленности. Для прямого зондирования этой Лилипутии при шлось бы построить ускоритель, превосходящий по своим размерам Солнечную систему.
Любая полная теория существующих в природе взаимодействий должна объяснять относительную величину каждого из них. Создатели ТВО быстро продемонстрировали, каким образом их теория могли бы объяснить огромное различие в величинах электрослабого и сильного взаимодействий. Реальная величина этих взаимодействий — не то, что измеряют экспериментаторы, наблюдая за превращениями субатомных частиц, поскольку, как уже говорилось, все источники различных полей экранируются вследствие поляризации вакуума. Экранировка приводит к тому, что электромагнитное взаимодействие на малых расстояниях усиливается, а сильное — ослабевает, и их величины выравниваются. Когда величина слабого взаимодействия подобрана так, чтобы произошло нарушение симметрии, это взаимодействие вклинивается между двумя другими и, подобно сильному взаимодействию, испытывает антиэкранировку, т.е. ослабевает на малых расстояниях. Интересно оценить, на каком расстоянии все три взаимодействия станут сравнимы по величине. Оно снова оказывается равным примерно 10-28 см, т.е. в точности совпадает с масштабом расстояний, соответствующим массе Х-частиц. Приятное совпадение.
Результат этого анализа заключается в следующем: при ультра высоких энергиях (что эквивалентно ничтожно малым расстояниям) электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия сливаются в одно взаимодействие и различие между кварками и лептонами исчезает. Взаимодействия и частицы в мире нашего опыта воспринимаются нами как совершенно различные явления, поскольку мы исследуем вещество при сравнительно низких энергиях. Физики называют величину, равную 1014 массам протона, масштабом объединения. Значение этого числа поистине потрясает.
Прежде чем двигаться дальше, необходимо оценить состояние теорий Великого объединения. Создавая Великое объединение трех взаимодействий, ТВО существенно уменьшают число произвольных параметров, используемых для описания природы. Менее амбициозная теория Вайнберга — Салама содержит постоянные, значения которых можно определить из эксперимента. В ТВО некоторые из этих чисел уже нельзя задать ad hoc,а следует определить из теории.
ТВО обладают и некоторыми неожиданными преимуществами. Одно из них — возможность объяснить старую загадку: почему электрические заряды всегда кратны одной и той же фундаментальной единице? Если принять заряд электрона за —1, а заряд протона за +1, то наименьший из возможных зарядов, — 1/3,имеет d-кварк. Все остальные заряды, независимо от того, являются ли их носителями кварки, лептоны или переносчики взаимодействия, равны небольшому целому кратному этого значения. До создания ТВО было неясно, почему не могут существовать частицы с любым зарядом, например с зарядом, равным лфундаментальных единиц. Единая теория не допускает существования таких зарядов. Жесткие правила отбора допустимых зарядов обусловлены тем, что все частицы принадлежат большим семействам, члены которых могут обмениваться частицами — переносчиками взаимодействия, имеющими заряды, равные фиксированному числу единиц заряда. Например, при распаде протона, когда d-кварк превращается в позитрон и передает заряд —4/3 Х-частице, поглощающий ее м-кварк должен приобрести (в результате поглощения Х-частицы) заряд, соответствующий заряду возникающего при этом антикварка. Вся арифметика должна сходиться. Это означает, что все частицы семейства должны иметь заряды, равные небольшим целым кратным друг друга (или вообще не иметь заряда).
Среди аргументов против различных ТВО называют отсутствие однозначной теории и масштаб объединения, столь далекий, что вряд ли эта теория когда-нибудь будет доступна непосредственной экспериментальной проверке. Как же в таком случае выбрать одну из соперничающих теорий? Если ТВО описывают природу в столь малых масштабах и при столь высоких энергиях, которые мы никогда не сможем наблюдать, то не превратится ли физика в метафизику? Не находимся ли мы в положении Демокрита и других греческих философов, которые без конца размышляли о формах и свойствах атомов, не имея ни малейшей надежды наблюдать их?
Некоторые физики пылко надеются, что это не так, и указывают три спасительные путеводные нити, которые позволяют нам сохранить власть над физикой в масштабе объединения. Рассмотрим каждую из них в отдельности.
9. Проблески суперсилы
Распад протона
На той неделе, когда ЦЕРН оповестил мир об открытии Z-частицы, Стивен Вайнберг находился на заседании Королевского общества в Лондоне. Он заявил, что весьма пессимистически смотрит на будущее фундаментальной физики. Такой прогноз мог показаться неожиданным. Как может Вайнберг, чья теория как раз на этой неделе получила столь блестящее подтверждение, пессимистически смотреть на развитие физики?Подобно многим выдающимся физикам-теоретикам, Вайнберг на несколько шагов опередил экспериментаторов. Его интересы уже давно переместились с электрослабой теории на Великое объединение и далее. Пессимизм Вайнберга был вызван не прекрасным положительным результатом, полученным в ЦЕРНе, а получившим меньшую огласку отрицательным результатом, сообщение о котором поступило с озера Эри.
Эксперимент на озере Эри был одним из нескольких экспериментов, повторенных в разных уголках мира, на которые возлагалась наибольшая, а возможно, и единственная надежда проверить ТВО и хотя бы мельком увидеть бледную тень физики в масштабах объединения. Все эти эксперименты преследовали одну цель — обнаружить распад хотя бы одного протона. Сенсационное предсказание ТВО нестабильности протона для большинства физиков явилось чем-то вроде грома среди ясного неба, хотя, как я уже говорил, мысль об этом в течение нескольких лет буквально носилась в воздухе. Долгое время проводились эксперименты по определению пределов времени жизни протонов, но все эти эксперименты были выдержаны в традиционном духе. Никто всерьез не ожидал обнаружить распад протона.
Когда из ТВО выяснилось, что массы, соответствующие объединению, составляют примерно 10^14 масс протона, сразу стало ясно, что физикам никогда не удастся исследовать явления, сопутствующие Великому объединению, в прямых экспериментах. Единственной надеждой была проверка какого-нибудь косвенного эффекта, предсказываемого ТВО, и выбор пал на распад протона. Предсказываемое теорией точное значение среднего времени жизни протона зависит от выбранного варианта ТВО, но в большинстве теорий, в том числе в простейшей из них (известной под названием минимальное SU (5), это время оценивалось примерно в 10^31 лет. Это в 10^21 раз больше возраста нашей Вселенной.
Как можно наблюдать процесс, который длится несравненно дольше возраста доступной наблюдению Вселенной? Но дело в том, что отнюдь не каждый протон живет до своего распада 10^31 лет. Согласно квантовой физике, каждый отдельный распад происходит непредсказуемо. 10^31 лет соответствует среднему времени жизни протона. Это означает, что если собрать 10^31 протонов, то можно быть уверенным, что за год-два один из протонов распадется. Именно из этого исходят при проведении всех экспериментов по распаду протона. Многие тонны вещества размещаются вне зоны влияния космических лучей и подвергаются непрерывному контролю с целью обнаружить внезапный единичный распад протона. Космические лучи — основная помеха в таких исследованиях: они загружают чувствительные приборы всевозможными посторонними частицами. Чтобы избежать этих помех, эксперимент приходится проводить у подножия горы или в глубокой шахте. Но и в этом случае невозможно избавиться от нейтрино.
До ТВО время жизни протона по самым точным оценкам составляло 10^28 лет. Это весьма впечатляющее число, хотя оно относится к событию, которое никогда не происходило. Должно быть, это наиболее достоверный пример события, о котором известно, что оно не произойдет. Что еще заведомо известно из прямого эксперимента о том, что не произойдетпо крайней мере 10^28 лет? С появлением ТВО измерения времени жизни протона обрели главный стимул. Для подтверждения ТВО точность эксперимента требовалось повысить по крайней мере в тысячу раз, а это означало необходимость более сложных и дорогих экспериментальных установок.
Перспектива обнаружить распад протона настолько завладела умами физиков, что в исследования включилось несколько групп. Одной из первых была совместная японо-индийская группа, соорудившая глубоко под землей, в одной из шахт в Индии своего рода слоеный пирог из железных плит. Эта на первый взгляд абсолютно безжизненная глыба вещества была окружена детекторами частиц, готовыми зарегистрировать продукты распада протона. Ранней весной 1982 г. появилось первое сообщение. Было зарегистрировано несколько “событий-кандидатов”, на основании которых время жизни протона было оценено примерно в 10^31 лет, как предсказывала простейшая версия ТВО.
Известие было встречено с огромным интересом, хотя и с определенной осторожностью. Дело в том, что даже на тон глубине, где проводился эксперимент, распад протона вполне могли имитировать космические лучи и нейтрино. Чтобы подтвердить полученные результаты и вселить уверенность в физиков, требовались другие эксперименты. Через несколько месяцев группа из ЦЕРНа, проводившая эксперимент под Монбланом, также зарегистрировала событие, внешне выглядевшее как распад протона, и интерес к распаду протона стал возрастать. Казалось, мы подошли обнадеживающе близко к порогу новой области в физике.
Большое внимание было уделено последствиям нестабильности протона. Ведь протоны — строительный материал ядерного вещества. Если протонам предстоит распасться, то это означает исчезновение в конце концов и нашей Вселенной. Произойдет это, разумеется не вдруг и не сразу. Но постепенно, на протяжении космических эпох все вещество будет неумолимо улетучиваться. Если оценка 10^31 лет верна, то это означает, что на протяжении жизни человека в его теле с вероятностью, близкой к единице, распадается по крайней мере один протон.
А как обстоит дело с другими составными частями атомов — нейтронами и электронами? Процесс, ведущий к распаду протона, может вызвать и распад нейтронов, хотя многие нейтроны претерпевают более обычный бета-распад. Каждый протон, распадаясь, оставляет свой электрический заряд позитрону — аналогу электрона в антивеществах. Каждый образовавшийся в результате этого позитрон будет искать свою античастицу — электрон и уничтожать его в процессе аннигиляции. Поскольку вначале электронов во Вселенной было ровно столько, сколько протонов, вполне вероятно, что электрон-позитронная аннигиляция в конце концов приведет к полному уничтожению электронов во Вселенной. Таким образом, в конечном итоге 10^40 т вещества в видимой части Вселенной однажды обратятся в прах. Печальная перспектива!
Чтобы быть уверенным в такой перспективе, физикам прежде всего необходимо удостовериться в правильности утверждения о реальности распада протона. По всему миру были проведены более точные эксперименты. Один из самых точных проводился в соляной шахте на глубине 600 м под озером Эри. Использованные в этом эксперименте протоны содержались в 8000 т тщательно очищенной воды, залитой в резервуар, имеющий форму куба с длиной ребра около 18м. В воду были погружены 2000 фотоумножителей. Им предстояло зарегистрировать мгновенные импульсы света, возникающие при движении быстрых заряженных частиц в плотной среде. Замысел состоял в том, что такие короткие вспышки света должны были свидетельствовать о появлении высокоэнергетических продуктов распада протона. Если опенка времени жизни протона 1031 лет верна, то в эксперименте на озере Эри в течение первых трех месяцев работы установки должно быть зарегистрировано несколько таких распадов. В действительности же не удалось наблюдать ни одного распада протона. Складывалось впечатление, что предыдущие сообщения были ошибочными, и надежды на то, что удастся наблюдать распад протона, начали угасать.
Этот отрицательный результат не опроверг ТВО, но, по-видимому, исключил простейшие версии Великого объединения. Существуют более сложные теории, предсказывающие гораздо большее время жизни протона, но и в этом случае маловероятно, что мы когда-нибудь станем свидетелями распада протона; точность экспериментов стремительно приближается к теоретическому пределу.
По мере того как становилось все яснее, что попытки обнаружить распад протона обречены на неудачу, все больше внимания стал привлекать единственно известный экспериментальный способ увидеть хотя бы смутные очертания физики, соответствующей масштабу объединения. Я имею в виду магнитный монополь.
Магнитные монополи
В предыдущих главах мы часто упоминали о легендарной симметрии и красоте уравнений в теории электромагнетизма Максвелла. Однако существует один “недостаток”, нарушающий в остальном безупречное изящество теории Максвелла. Электричество и магнетизм представлены в уравнениях Максвелла не равнозначно. Хотя электрическая и магнитная силы тесно взаимосвязаны, они входят в теорию не вполне симметрично. Электрические поля создаются либо электрическими зарядами, либо изменяющимися магнитными полями, в то время как магнитные поля создаются только электрическим током и изменяющимися электрическими полями. Казалось бы, нет веских оснований для того, чтобы магнитные поля не могли создаваться магнитными зарядами (а электрические поля — магнитными токами).У любого обычного стержневого магнита есть северный и южный полюса, но более глубокий анализ показывает, что магнетизм в действительности обусловлен электрическими токами, циркулирующими в атомах. Так как виток с током эквивалентен паремагнитных полюсов — северному с одной стороны витка и южному — с другой, магнит представляет собой “диполь”, т.е. имеет одновременно и северный, и южный полюса. Виток с током не может иметь только один полюс, подобно тому, как монета не может иметь лишь одну сторону. От магнита нельзя отделить один полюс, т.е. создать монополь.
Исследования показывают, что все магниты представляют собой диполи. Магнитные монополи, если они существуют, должны быть крайне неуловимы. Систематическое изучение горных пород, в том числе и лунного грунта и проб, взятых со дна океана, не обнаружило ни одного отдельного магнитного заряда. Многие физики склонны думать, что магнитных монополей не существует. Если это действительно так, то магнетизм — всего лишь вторичный продукт электричества. Принять такую гипотезу это значит признать, что в природе не существует симметрии между электричеством и магнетизмом.
В 1931 г. английский физик-теоретик Поль Дирак обнаружил, что в квантовой физике определенно есть место магнитным монополям, хотя в природе такая возможность не используется. Связав существование магнитных монополей с фазами квантовых волн, Дирак обнаружил весьма любопытную связь между электрическим и магнитным зарядами. Если магнитный монополь действительно существует, утверждал Дирак, то магнитный заряд должен быть кратен некоторой заданной величине, которая в свою очередь определяется фундаментальной величиной электрического заряда. Следовательно, если монополь вдруг заявит о себе, мы по крайней мере знаем, какой величины должен быть магнитный заряд.