Но ведь в природе нет, скажем, и настоящей окружности в том смысле, как ее понимают геометры. Просто, окружность - это очень полезный и бесконечно привычный образ, с помощью которого мы можем часто с весьма хорошим приближением описывать свойства реальных тел, всегда имеющих хотя бы слабые отклонения от идеальной формы.
В природе нет и "абсолютно твердых тел", которые мы обсуждали в связи со старой моделью электрона-шарика. Однако это весьма полезный образ в механике, который позволяет изучать многие движения с хорошей точностью.
Но вообще-то "вносить в природу" те или иные приближенные образы из конкретных наук надо с осторожностью. Весь многотысячелетний опыт познания говорит о том, что любой самый красивый и, казалось бы, общий научный образ рано или поздно сменяется другим, более красивым и более общим. В свое время активное противодействие представлениям квантовой механики было во многом обязано тому, что в сознании ряда людей, в том числе и физиков, прочно "склеились" образы классической механики и реальный мир. И им трудно было убедить себя в том, что, допустим, траектория электрона вовсе не необходимая принадлежность реального мира, а полезное приближенное средство для описания движения макроскопических тел.
Все это очень важно иметь в виду, обсуждая дальнейшее развитие принципов классификации в микромире.
Изотопическая симметрия заметно упорядочила наши представления, сгруппировав адроны с очень близкими значениями масс. Но, как вы помните, существовали еще и явления, связанные с рождением необычных, странных частиц в строго определенных комбинациях, скажем, попарно. Например, лямбда-гиперон мог родиться только в паре с положительно заряженным или нейтральным ка-мезоном или, наконец, вместе со своим антиподом - анти-лямбда-гипероном. Такие же закономерности прослеживались и в рождении других гиперонов и ка-мезонов. Когда же наступала пора этим частицам распадаться, такой закономерности уже не наблюдалось - любая из них распадалась на обычные адроны, как бы забывая о правилах своего рождения.
Физики отметили интересное обстоятельство - рождение странных адронов идет со значительно большей интенсивностью, чем их распад. Прямые оценки показали, что в первом случае имеет место сильное взаимодействие, а во втором - слабое. Отсюда был сделан важный вывод: странные адроны несут какой-то своеобразный заряд (квантовое число), который сохраняется в сильных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых. Эта квантовое число и было названо "странностью". Нуклону и пи-мезону можно было сопоставить нулевую странность - у них не было таких особенностей в поведении, как у странных частиц.
Лямбда- и сигма-гиперонам, независимо от знака электрического заряда, была сопоставлена "странность" минус единица, а кси-гиперону - минус два. Положительно заряженный ка-плюс-мезон и нейтральный ка-ноль-мезон должны были нести "странность" плюс единица, а их античастицы (ка-минус- и анти-ка-ноль) - противоположную. Такая расстановка нового квантового числа полностью объясняла все экспериментально изученные процессы рождения "странных" частиц.
Когда классификация адронов по "странности" была завершена, перед физиками возникла заманчивая аналогия. Раз протон и нейтрон приближенно оказались разными зарядовыми состояниями одной частицы - нуклона, то не являются ли нуклон и гипероны, свою очередь, различными по "странности" состояниями одной и той же частицы? Не происходит ли то же самое и с пи- и ка-мезонами?
Для того чтобы поверить в такую возможность, нужно было, конечно, немалое воображение. Ведь симметрия, которая в данном случае могла появиться, была бы нарушена гораздо сильней, чем изотопическая. Это видно хотя бы из того, что разность масс "странных" и "нестранных" адронов не столь уж мала по сравнению с самими величинами масс. Относительная разность может достигать здесь десятков процентов! Теперь уже нарушение новой симметрии нельзя приписать электромагнитным взаимодействиям, а необходимо вводить два типа сильного взаимодействия: предельно сильное и умеренно сильное.
В воображаемом мире, где существует только предельно сильное взаимодействие, все восемь стабильных барионов выглядят как один. Если включить умеренно сильное взаимодействие, то произойдет расщепление на "нестранные" нуклоны и "странные" гипероны - мы как бы увидим 4 типа частиц. И наконец, если включить электромагнитное взаимодействие, то произойдет более полное расщепление, и перед нами предстанут все восемь барионов с различными значениями электрического заряда и "странности".
Нечто подобное произойдет и с восемью стабильными мезонами (тремя пи-, четырьмя ка- и эта-мезонами): в мире предельно сильного взаимодействия они будут на одно лицо, будто это одна частица. По мере включения умеренно сильных и электромагнитных взаимодействий единый мезон будет все сильней расщепляться, пока не появятся все 8 реальных частиц.
Именно с такой идеей группировки адронов и выступили в 1961 году М. Гелл-Манн и Ю. Нееман. Предельно сильные взаимодействия предположили они, должны обладать особой унитарной симметрией, так чтобы восемь легчайших барионов и восемь легчайших мезонов участвовали в этих взаимодействиях совершенно симметрично независимо от электрических зарядов и "странности".
В новой системе классификации все наблюдаемые адроны относились к определенному набору, который может включать одну, восемь или десять частиц. Все адроны, в том числе и резонансы, действительно были приписаны к одному из таких наборов. Это привело, конечно, к очень экономичному представлению таблицы элементарных частиц - гораздо более "крупноблочному", чем в случае использования только изотопической симметрии.
Рассматривая каждый набор в воображаемом мире, где учтены только предельно сильные взаимодействия, как единую частицу, можно было затем включить умеренно сильные взаимодействия и оценить возникающее за счет него расщепление масс. Таким способом и были получены соотношения между массами для различных состояний каждого набора. В тех случаях, когда все частицы данного набора были известны, эта операция приводила к удивительно хорошему согласию теории и эксперимента.
Расчет соотношений между массами адронов внутри каждого набора и привел к важному открытию, которое стало основным свидетельством в пользу схемы Гелл-Манна - Неемана.
Дело в том, что, пытаясь укомплектовать набор из 10 барионов, физики столкнулись с небольшой трудностью. Среди известных адронов довольно быстро обнаружились девять хороших кандидатов в эту "десятку". Эти кандидаты представляли собой короткоживущие барионные резонансы: 4 частицы дельта-1232 (это различные зарядовые состояния резонанса, открытого Э. Ферми), 3 сигма-1385 и 2 кси-1530. А вот десятого - "замыкающего" - подыскать не удалось. Его масса была вычислена на бумаге и должна была составлять примерно 1670 МэВ. Были заранее известны и многие другие свойства, например, его "странность" должна была быть равна минус три и электрический заряд минус единице. Но среди известных адронов такая частица не значилась. И только в самом начале 1964 года из Брукхэвенской национальной лаборатории было получено необходимое известие: на одной из 50 тысяч фотографий зарегистрирован каскад из целых семи частиц, связанный с распадом нового гиперона с массой около 1670 МэВ! Новая частица была названа омега-минус-гипероном.
Открытие омега-минус-гиперона укрепило веру в унитарную классификацию, и в настоящее время она считается общепринятой. Это, конечно, не означает, что физикам стало все ясно в адронном мире. Остаются и возможности обобщения, и непонятные проблемы.
Дело в том, что с математической точки зрения и изотопическая симметрия В. Гейзенберга, и унитарная симметрия, предложенная М. Гелл-Манном и Ю. Нееманом, являются различными формами унитарных симметрии общего типа. Вторая оказывается просто симметрией более высокого типа, чем первая; именно поэтому она и позволяет объединять частицы в более крупные наборы, "блоки", и часто называется Высшей Симметрией.
А не могут ли проявиться еще более высокие унитарные симметрии адронов? Такую возможность никак нельзя исключить. Ведь схема Гелл-Манна - Неемана основана на сохранении только двух квантовых чисел - электрического заряда и "странности".
В 1964 году американские теоретики Дж. Бьеркен и С. Глешоу ввели в рассмотрение новый точный или приближенный закон сохранения, соответствующий особому квантовому числу - "очарованности". Такая возможность открывала путь к более высокой симметрии сильных взаимодействий и позволяла преодолеть некоторые проблемы предшествующих моделей.
Едва ли не главная из этих проблем состояла в том, что схема классификации Гелл-Манна - Неемана допускала существование удивительных наборов из 3 частиц. Просто не обращать внимания на эти наборы было нельзя, так как они играли фундаментальную роль для указанной схемы. Но частицы в этих наборах должны были иметь столь необычные свойства - в частности, дробные электрические и барионные заряды, - что включить их в рассмотрение было не так уж просто. Итак, либо новый закон сохранения, либо совершенно необычные частицы...
Впрочем, проблема этих удивительных частиц оказалась глубже, чем можно представить себе, рассуждая о том или ином варианте унитарной классификации.
Высшие симметрии микромира часто сравнивают с красивым замком. Действительно, группировка огромного количества адронов по определенным свойствам напоминает своеобразную архитектурную работу - все элементы выстраиваются в какую-то четкую взаимосвязанную конструкцию, которая воспринимается гораздо легче, чем отдельные разбросанные элементы. Такое упорядочивание, по сути дела, означало создание спасительного ковчега, позволившего пережить трудные времена резонансного потопа, но его вполне разумно сравнивать и с возведением замка.
Но тут-то в ответ на необычайную щедрость природы, которая ввела в микромир свыше 200 адронов, физики решили проявить предельную экономичность, граничащую со скупостью. Этот шаг, к обсуждению которого мы сейчас переходим, привел к тому, что в замке высших симметрии замаячили настоящие призраки...
НАШЕСТВИЕ ПРИЗРАКОВ
Как и герои древних преданий, призраки микромира имели реальных предков и довольно любопытную родословную. История появления этих призраков как раз и связана с удивительным сочетанием щедрости природы и скупости физиков.
Скупость эта проявилась довольно рано - еще тогда, когда адронный мир, казалось бы, строился всего из двух типов частиц - нуклонов и пи-мезонов. О ка-мезонах и гиперонах существовали лишь предварительные данные, а до резонансного потопа было совсем далеко. Но даже два типа адронов показались физикам излишней роскошью для таблицы элементарных частиц. Летом 1949 года Э. Ферми и его девятнадцатилетний аспирант Ч. Янг написали статью, которая прямо так и называлась: "Являются ли мезоны элементарными частицами?"
Авторы начали с естественного предположения о том, что в природе существуют антинуклоны (кстати, антипротон и антинейтрон будут открыты только через несколько лет после появления их статьи). Далее они высказали гипотезу, что пи-мезон представляет собой просто связанное состояние нуклона и антинуклона, а не особую элементарную частицу, как это думал X. Юкава, и попытались оценить основные свойства этого составного ядерного кванта. Правила составления наблюдаемых пи-мезонов можно проследить, пользуясь простой зарядовой арифметикой: положительно заряженный пи-мезон должен состоять из протона и антинейтрона, отрицательно заряженный - из нейтрона и антипротона, и нейтральный пи-мезон - из смеси пар протон - антипротон и нейтрон - антинейтрон. Во всех случаях у мезонов оказываются правильные значения электрических зарядов, а их барионные заряды равны нулю.
Модель Ферми - Янга была интересна, но в некоторых отношениях непоследовательна. Трудно было, например, объяснить природу сил, склеивающих тяжелые частицы - нуклон и антинуклон - в сравнительно легкую - пи-мезон. Поэтому многие физики сначала отнеслись к этой модели без особого энтузиазма. Однако заложенные в ней идеи - прежде всего стремление обходиться предельно малым числом действительно элементарных частиц - были исключительно полезны, и через несколько лет эти идеи стали интенсивно развиваться.
После того как "странные" частицы - ка-мезоны и гипероны - окончательно утвердились в качестве особого класса адронов, стало ясно, что одним нуклоном при построении составной модели частиц не обойтись. Ведь нуклон представлял собой образ двух барионов, не имеющих "странности" (протона и нейтрона), а из них никак нельзя было построить, скажем, "странный" ка-мезон. Поэтому физикам пришлось привлекать третью фундаментальную частицу - один из "странных" мезонов или гиперонов. Именно по этому пути и пошли создатели первых универсальных моделей составных адронов советский теоретик академик М. Марков и японский ученый С. Саката.
Несколько более наглядная модель С. Сакаты представляет собой прямое развитие идей Э. Ферми и Ч. Янга. В качестве трех фундаментальных частиц он выбрал протон, нейтрон и лямбда-гиперон и показал, что из них можно в принципе выстроить все остальные частицы адронного семейства. Пи-мезоны строились в этой схеме по тем же правилам, что и в модели Ферми - Янга, а для "странных" мезонов и гиперонов использовались чуть более сложные правила той же зарядовой арифметики (с учетом "странности"). Например, ка-мезон с отрицательным электрическим зарядом и "странностью" минус единица можно построить из лямбда-гиперона (электрический заряд - ноль, "странность" минус единица) и антипротона (электрический заряд - минус единица, "странность" - ноль), а отрицательно заряженный кси-минус-гиперон со "странностью", равной минус два, - из двух лямбда-гиперонов и одного антипротона.
Подобно тому, как протон и нейтрон представляли собой различные состояния нуклона, 3 частицы: протон, нейтрон и лямбда-гиперон - должны были представлять 3 различных состояния некоторой фундаментальной частицы сакатона. В воображаемом мире, где действует только предельно сильное взаимодействие, существовал бы единственный вид фундаментальных адронов сакатоны. При включении умеренно сильных взаимодействий наблюдалось бы уже два типа частиц - нуклон и лямбда-гиперон, то есть тот же сакатон, как бы расщепленный на два наблюдаемых состояния. И, наконец, при включении электромагнитных взаимодействий, когда в микромир допускались фотоны, способные реагировать на электрические заряды, нуклон, в свою очередь, расщеплялся, и появлялись все 3 известных легчайших бариона - протон, нейтрон и лямбда-гиперон.
Гипотеза о фундаментальной роли сакатона оказалась весьма привлекательной и чуть ли не десять лет владела умами исследователей микромира. Еще бы! Ведь, имея перед собой таблицу элементарных частиц, можно было буквально за несколько минут убедиться, что все адроны соответствуют той или иной комбинации из 3 легчайших барионов.
Следовательно, таблица истинно элементарных частиц становилась значительно короче: наряду с фотоном и лептонами она должна была включать только три адрона - протон, нейтрон и лямбда-гиперон, да и те оказывались на самом деле лишь тремя возможными состояниями одного адрона - сакатона...
Остальные адроны являлись составными частицами - вроде атомных ядер.
Но, конечно, физическое понимание такой составной модели не может быть ограничено формальным подбором правильных зарядовых комбинаций. Несмотря на многие интересные попытки улучшения, модель фундаментального сакатона так и не справилась с теми трудностями, которые она, можно сказать, унаследовала от своей предшественницы - модели Ферми - Янга.
Во-первых, аналогия между составными адронами и атомными ядрами не столь уж проста. Как вы помните, протоны и нейтроны, будучи связаны в атомное ядро, теряют на эту связь лишь малую долю своей массы - менее одного процента. Совсем другая ситуация наблюдается в том случае, когда мы пытаемся описать, скажем, пи-ноль-мезон как связанное состояние протона и антипротона. Ведь величина энергии связи протона с антипротоном в 13 раз превышает массу наблюдаемого связанного состояния: пи-ноль-мезона! Напрашивается вывод, что, во-первых, внутренняя структура составных адронов должна иметь какие-то качественные отличия от тех структур, которые известны нам из физики атомов и атомных ядер.
Во-вторых, по-прежнему нуждалась в объяснении природа сил, склеивающих сакатоны в составные мезоны и барионы.
В-третьих, было неясно, чем же качественно выделены именно протон, нейтрон и лямбда-гиперон среди всех других барионов и мезонов. Почему и в каком смысле именно они должны быть более элементарными, чем другие адроны? Ведь массы протона, нейтрона и лямбда-гиперона очень близки по величине к массам сигма- и кси-гиперонов. Тем более что, как вы помните, при создании унитарной классификации все эти нуклоны и гипероны очень естественно вписались в одну из "восьмерок", то есть должны были представлять собой просто 8 различных состояний какой-то одной частицы.
И вообще, согласно схеме унитарной классификации ни один из наблюдаемых мезонов или барионов ничем особым не выделен, ни один из них не может претендовать на роль более элементарной частицы, чем остальные адроны.
Вот именно это последнее обстоятельство и оказалось непреодолимой трудностью для модели фундаментального сакатона.
Сакатон вынужден был уйти из мира реальных частиц и поселиться в красивом замке унитарной симметрии на правах призрака, изменив имя и даже некоторые свойства.
В 1964 году М. Гелл-Манн и молодой теоретик из ЦЕРНа Дж. Цвейг обратили внимание на то, что существует отличная возможность описать все наблюдаемые адроны как определенные составные конструкции из некоторых новых частиц, которые тоже укладываются в схему унитарной классификации, но обладают весьма оригинальными свойствами, резко выделяющими их среди собратьев по микромиру. Речь шла как раз о тех объектах, которые должны были входить в унитарные наборы из трех частиц.
С легкой руки М. Гелл-Манна новые гипотетические частицы стали называться кварками. Необычное слово вызвало, конечно, удивление, но прижилось в физике чрезвычайно быстро. М. Гелл-Манн отыскал его в фантастическом романе "Поминки по Финнегану" - последнем произведении крупнейшего ирландского писателя Дж. Джойса. В этом романе некий таинственный голос вещает о "трех кварках", что звучит в контексте непонятно, но угрожающе. С другой стороны, в немецком языке слово "кварк" имеет совершенно безобидный смысл - "творог". Вот и пойми, что предрекается: то ли злые духи, то ли вкусные творожники...
Мне кажется, что кварк завоевал симпатии физиков по довольно простой причине, благодаря явному созвучию с привычным словом квант - чувствуется, что кварк должен быть осколком чего-то, и не просто частью, а чем-то с трудом отщепленным, скорее всего остроугольным...
Кварк вошел в физику полноправным наследником сакатона. В отличие от последнего он не должен был соответствовать каким-либо уже известным адронам. Однако подобно тому, как сакатон был единым представлением трех частиц - протона, нейтрона и лямбда-гиперона, кварк по праву наследования стал представлять три частицы, которые так и были названы по аналогии пэ-кварк (р), эн-кварк, (n) и лямбда-кварк (л). Необычные свойства кварков выражались прежде всего в том, что их барионные и электрические заряды имели дробные значения в единицах зарядов протона или любой другой известной элементарной частицы. В частности, все барионные заряды кварков должны были составлять 1/3 заряда известных барионов. Пэ-кварк должен был, кроме того, иметь положительный электрический заряд, равный 2/3 заряда протона, а остальные два - эн- и лямбда-кварки - должны были иметь отрицательные заряды по (1/3). И наконец, лямбда-кварк еще обладал "странностью", равной минус единице (-1). При внимательном взгляде на кварки нетрудно заметить, что они действительно напоминают компоненты сакатона - протон, нейтрон и лямбда-гиперон - с той разницей, что барионные заряды кварков меньше на 2/з, а электрические на 1/3, чем у этих барионов.
Предсказание дробных зарядов у кварков показалось физикам весьма необычным, но оно, в сущности, не нарушало никаких фундаментальных законов природы. То, что, например, электрические заряды всех наблюдаемых частиц либо равны по абсолютной величине заряду электрона, либо больше его в целое число раз, - просто экспериментальный факт, смысл которого пока непонятен. И если обнаружились бы более мелкие порции электричества, то это стало бы просто нарушением традиции, а не каких-то определенных законов.
Гораздо более удивительным оказалось другое обстоятельство. Кварковая модель стала превосходным средством для наведения порядка в микромире и испытала большой успех в самых различных приложениях, но вот сами кварки, несмотря на чрезвычайно активные поиски, так и не удалось обнаружить.
Посудите сами. Любой известный барион без труда строится в виде комбинации из трех кварков. Скажем, протон должен состоять из двух пэ-кварков и одного эн-кварка, а отрицательно заряженный кси-минус-гиперон из эн-кварка и двух лямбда-кварков. Пользуясь все той же простой зарядовой арифметикой, можно составить и любой мезон - он непременно должен содержать какой-либо кварк и антикварк, чтобы суммарный барионный заряд этой комбинации был равен нулю. Например, положительно заряженный пи-мезон состоит из пэ-кварка и эн-антикварка, а отрицательно заряженный ка-мезон из лямбда-кварка и пэ-антикварка. В общем, положив перед собой таблицу известных адронов и вспомнив заряды различных кварков, вы могли бы очень быстро установить кварковый состав всех частиц и античастиц.
Но успехи кварковой модели не ограничивались такой удачной классификацией адронов. Модель давала и вполне определенные предсказания о закономерностях, которые должны наблюдаться в процессах сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий при рассеянии и распадах адронов. Большинство таких предсказаний удивительно хорошо подтверждается экспериментальными данными.
Не менее важно и другое - именно кварки позволяли верить в глубокий смысл обнаруженных законов симметрии микромира. Можно сказать, что гипотетические частицы наполнили жизнью красивый замок унитарных симметрии; без кварков он казался бы пустынной, наскоро сколоченной времянкой. Но кварки до сих пор так и остались призраками! Они приносят большую пользу, о них много сказано и написано, наконец, большинство физиков верят в их существование. Но их никто и никогда так и не наблюдал. Между тем история ловли кварков ничуть не уступает, даже, пожалуй, превосходит по драматизму охоту за космическими лучами.
Кварки искали не только на земле, под землей или под водой. Чтобы обнаружить какой-нибудь "зазевавшийся" призрак, перетирались в порошок целые метеориты. Их пытались зарегистрировать в самых первых образцах лунного грунта, с великими трудами и затратами доставленных на нашу планету.
Дело в том, что по крайней мере один из кварков должен был оказаться стабильным, и в силу закона сохранения электрического заряда его дробный заряд можно было бы обнаружить даже после всевозможных взаимодействий этого кварка с обычными частицами вещества. Именно поэтому физики уделяли большое внимание поиску кварков с дробными зарядами и в макроскопических кусках вещества.
Более того, физики обратились к анализу истории наблюдаемой вселенной и к исследованию строения звезд. Уже в 1965 году - всего через год после появления гипотезы кварков - советские теоретики Я. Зельдович, Л. Окунь и С. Пикельнер опубликовали большую статью под названием "Кварки: астрофизический и физико-химический аспекты". В этой работе были даны оценки допустимой плотности реальных кварков в связи с самыми различными возможностями их существования. Вывод был не слишком утешителен; кварков должно быть в 109-1018 раз меньше, чем нуклонов. Последующие теоретические и экспериментальные работы в основном подтвердили это заключение. Кварки, даже если они и существуют в виде отдельных частиц, - редчайшие "звери". Число нуклонов должно, по крайней мере, в тысячи миллиардов раз превышать число кварков.
И уж конечно, трудно перечислить все эксперименты по поиску кварков в потоках космических лучей и среди миллионов событий, полученных на крупнейших ускорителях мира. В программах "Серпухова" и "Батавии" кварковый эксперимент стоял на первом месте - еще только "прогревая" синхротроны для долгосрочной работы, физики пытались отыскать в регистрирующих устройствах следы дробно-заряженных частиц. Упорное нежелание кварков предстать пред нетерпеливыми взорами экспериментаторов стало вызывать тревожные размышления.
Как бы то ни было, а гипотетическиз частицы оказались предельно экономичным средством для "сборки" любого известного адрона. Поэтому сначала даже некоторые существенные неясности в отношении природы сил, связывающих кварки, не могли поколебать безграничной веры большинства физиков в их реальность. В пользу сторонников реальных кварков свидетельствовали и известные нам исторические аналогии.
Вспомните, заявляли они, сколько добрых дел успел совершить протон задолго до своего настоящего открытия. А за 15 лет до экспериментальной регистрации пи-мезона была правильно описана структура атомных ядер, причем ядерный квант до сих пор не раскрывает многих своих тайн. А сколько лет отделяет тюбингенское послание В. Паули от занесения в таблицу элементарных частиц "короля конспирации" нейтрино? А разве не пытались некоторые физики всего за три-четыре года до открытия антипротона придумать уродливую антивселенную с одними позитронами? Да что уж там маленькие сроки, каких-то 15-20 лет, продолжали они, атомистическая гипотеза дожидалась доказательств два с половиной тысячелетия! А ведь все успехи молекулярно-кинетической теории теплоты в прошлом веке связаны именно с атомистическими представлениями. Теперь же, изучив атомно-молекулярный, ядерный и "элементарно-частичный" уровни строения вещества, мы стоим на пороге нового, еще более глубокого уровня, и стоит ли предаваться сомнениям относительно реальности кварков, которые вот-вот окажутся превосходным примером предоткрытия?
В природе нет и "абсолютно твердых тел", которые мы обсуждали в связи со старой моделью электрона-шарика. Однако это весьма полезный образ в механике, который позволяет изучать многие движения с хорошей точностью.
Но вообще-то "вносить в природу" те или иные приближенные образы из конкретных наук надо с осторожностью. Весь многотысячелетний опыт познания говорит о том, что любой самый красивый и, казалось бы, общий научный образ рано или поздно сменяется другим, более красивым и более общим. В свое время активное противодействие представлениям квантовой механики было во многом обязано тому, что в сознании ряда людей, в том числе и физиков, прочно "склеились" образы классической механики и реальный мир. И им трудно было убедить себя в том, что, допустим, траектория электрона вовсе не необходимая принадлежность реального мира, а полезное приближенное средство для описания движения макроскопических тел.
Все это очень важно иметь в виду, обсуждая дальнейшее развитие принципов классификации в микромире.
Изотопическая симметрия заметно упорядочила наши представления, сгруппировав адроны с очень близкими значениями масс. Но, как вы помните, существовали еще и явления, связанные с рождением необычных, странных частиц в строго определенных комбинациях, скажем, попарно. Например, лямбда-гиперон мог родиться только в паре с положительно заряженным или нейтральным ка-мезоном или, наконец, вместе со своим антиподом - анти-лямбда-гипероном. Такие же закономерности прослеживались и в рождении других гиперонов и ка-мезонов. Когда же наступала пора этим частицам распадаться, такой закономерности уже не наблюдалось - любая из них распадалась на обычные адроны, как бы забывая о правилах своего рождения.
Физики отметили интересное обстоятельство - рождение странных адронов идет со значительно большей интенсивностью, чем их распад. Прямые оценки показали, что в первом случае имеет место сильное взаимодействие, а во втором - слабое. Отсюда был сделан важный вывод: странные адроны несут какой-то своеобразный заряд (квантовое число), который сохраняется в сильных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых. Эта квантовое число и было названо "странностью". Нуклону и пи-мезону можно было сопоставить нулевую странность - у них не было таких особенностей в поведении, как у странных частиц.
Лямбда- и сигма-гиперонам, независимо от знака электрического заряда, была сопоставлена "странность" минус единица, а кси-гиперону - минус два. Положительно заряженный ка-плюс-мезон и нейтральный ка-ноль-мезон должны были нести "странность" плюс единица, а их античастицы (ка-минус- и анти-ка-ноль) - противоположную. Такая расстановка нового квантового числа полностью объясняла все экспериментально изученные процессы рождения "странных" частиц.
Когда классификация адронов по "странности" была завершена, перед физиками возникла заманчивая аналогия. Раз протон и нейтрон приближенно оказались разными зарядовыми состояниями одной частицы - нуклона, то не являются ли нуклон и гипероны, свою очередь, различными по "странности" состояниями одной и той же частицы? Не происходит ли то же самое и с пи- и ка-мезонами?
Для того чтобы поверить в такую возможность, нужно было, конечно, немалое воображение. Ведь симметрия, которая в данном случае могла появиться, была бы нарушена гораздо сильней, чем изотопическая. Это видно хотя бы из того, что разность масс "странных" и "нестранных" адронов не столь уж мала по сравнению с самими величинами масс. Относительная разность может достигать здесь десятков процентов! Теперь уже нарушение новой симметрии нельзя приписать электромагнитным взаимодействиям, а необходимо вводить два типа сильного взаимодействия: предельно сильное и умеренно сильное.
В воображаемом мире, где существует только предельно сильное взаимодействие, все восемь стабильных барионов выглядят как один. Если включить умеренно сильное взаимодействие, то произойдет расщепление на "нестранные" нуклоны и "странные" гипероны - мы как бы увидим 4 типа частиц. И наконец, если включить электромагнитное взаимодействие, то произойдет более полное расщепление, и перед нами предстанут все восемь барионов с различными значениями электрического заряда и "странности".
Нечто подобное произойдет и с восемью стабильными мезонами (тремя пи-, четырьмя ка- и эта-мезонами): в мире предельно сильного взаимодействия они будут на одно лицо, будто это одна частица. По мере включения умеренно сильных и электромагнитных взаимодействий единый мезон будет все сильней расщепляться, пока не появятся все 8 реальных частиц.
Именно с такой идеей группировки адронов и выступили в 1961 году М. Гелл-Манн и Ю. Нееман. Предельно сильные взаимодействия предположили они, должны обладать особой унитарной симметрией, так чтобы восемь легчайших барионов и восемь легчайших мезонов участвовали в этих взаимодействиях совершенно симметрично независимо от электрических зарядов и "странности".
В новой системе классификации все наблюдаемые адроны относились к определенному набору, который может включать одну, восемь или десять частиц. Все адроны, в том числе и резонансы, действительно были приписаны к одному из таких наборов. Это привело, конечно, к очень экономичному представлению таблицы элементарных частиц - гораздо более "крупноблочному", чем в случае использования только изотопической симметрии.
Рассматривая каждый набор в воображаемом мире, где учтены только предельно сильные взаимодействия, как единую частицу, можно было затем включить умеренно сильные взаимодействия и оценить возникающее за счет него расщепление масс. Таким способом и были получены соотношения между массами для различных состояний каждого набора. В тех случаях, когда все частицы данного набора были известны, эта операция приводила к удивительно хорошему согласию теории и эксперимента.
Расчет соотношений между массами адронов внутри каждого набора и привел к важному открытию, которое стало основным свидетельством в пользу схемы Гелл-Манна - Неемана.
Дело в том, что, пытаясь укомплектовать набор из 10 барионов, физики столкнулись с небольшой трудностью. Среди известных адронов довольно быстро обнаружились девять хороших кандидатов в эту "десятку". Эти кандидаты представляли собой короткоживущие барионные резонансы: 4 частицы дельта-1232 (это различные зарядовые состояния резонанса, открытого Э. Ферми), 3 сигма-1385 и 2 кси-1530. А вот десятого - "замыкающего" - подыскать не удалось. Его масса была вычислена на бумаге и должна была составлять примерно 1670 МэВ. Были заранее известны и многие другие свойства, например, его "странность" должна была быть равна минус три и электрический заряд минус единице. Но среди известных адронов такая частица не значилась. И только в самом начале 1964 года из Брукхэвенской национальной лаборатории было получено необходимое известие: на одной из 50 тысяч фотографий зарегистрирован каскад из целых семи частиц, связанный с распадом нового гиперона с массой около 1670 МэВ! Новая частица была названа омега-минус-гипероном.
Открытие омега-минус-гиперона укрепило веру в унитарную классификацию, и в настоящее время она считается общепринятой. Это, конечно, не означает, что физикам стало все ясно в адронном мире. Остаются и возможности обобщения, и непонятные проблемы.
Дело в том, что с математической точки зрения и изотопическая симметрия В. Гейзенберга, и унитарная симметрия, предложенная М. Гелл-Манном и Ю. Нееманом, являются различными формами унитарных симметрии общего типа. Вторая оказывается просто симметрией более высокого типа, чем первая; именно поэтому она и позволяет объединять частицы в более крупные наборы, "блоки", и часто называется Высшей Симметрией.
А не могут ли проявиться еще более высокие унитарные симметрии адронов? Такую возможность никак нельзя исключить. Ведь схема Гелл-Манна - Неемана основана на сохранении только двух квантовых чисел - электрического заряда и "странности".
В 1964 году американские теоретики Дж. Бьеркен и С. Глешоу ввели в рассмотрение новый точный или приближенный закон сохранения, соответствующий особому квантовому числу - "очарованности". Такая возможность открывала путь к более высокой симметрии сильных взаимодействий и позволяла преодолеть некоторые проблемы предшествующих моделей.
Едва ли не главная из этих проблем состояла в том, что схема классификации Гелл-Манна - Неемана допускала существование удивительных наборов из 3 частиц. Просто не обращать внимания на эти наборы было нельзя, так как они играли фундаментальную роль для указанной схемы. Но частицы в этих наборах должны были иметь столь необычные свойства - в частности, дробные электрические и барионные заряды, - что включить их в рассмотрение было не так уж просто. Итак, либо новый закон сохранения, либо совершенно необычные частицы...
Впрочем, проблема этих удивительных частиц оказалась глубже, чем можно представить себе, рассуждая о том или ином варианте унитарной классификации.
Высшие симметрии микромира часто сравнивают с красивым замком. Действительно, группировка огромного количества адронов по определенным свойствам напоминает своеобразную архитектурную работу - все элементы выстраиваются в какую-то четкую взаимосвязанную конструкцию, которая воспринимается гораздо легче, чем отдельные разбросанные элементы. Такое упорядочивание, по сути дела, означало создание спасительного ковчега, позволившего пережить трудные времена резонансного потопа, но его вполне разумно сравнивать и с возведением замка.
Но тут-то в ответ на необычайную щедрость природы, которая ввела в микромир свыше 200 адронов, физики решили проявить предельную экономичность, граничащую со скупостью. Этот шаг, к обсуждению которого мы сейчас переходим, привел к тому, что в замке высших симметрии замаячили настоящие призраки...
НАШЕСТВИЕ ПРИЗРАКОВ
Как и герои древних преданий, призраки микромира имели реальных предков и довольно любопытную родословную. История появления этих призраков как раз и связана с удивительным сочетанием щедрости природы и скупости физиков.
Скупость эта проявилась довольно рано - еще тогда, когда адронный мир, казалось бы, строился всего из двух типов частиц - нуклонов и пи-мезонов. О ка-мезонах и гиперонах существовали лишь предварительные данные, а до резонансного потопа было совсем далеко. Но даже два типа адронов показались физикам излишней роскошью для таблицы элементарных частиц. Летом 1949 года Э. Ферми и его девятнадцатилетний аспирант Ч. Янг написали статью, которая прямо так и называлась: "Являются ли мезоны элементарными частицами?"
Авторы начали с естественного предположения о том, что в природе существуют антинуклоны (кстати, антипротон и антинейтрон будут открыты только через несколько лет после появления их статьи). Далее они высказали гипотезу, что пи-мезон представляет собой просто связанное состояние нуклона и антинуклона, а не особую элементарную частицу, как это думал X. Юкава, и попытались оценить основные свойства этого составного ядерного кванта. Правила составления наблюдаемых пи-мезонов можно проследить, пользуясь простой зарядовой арифметикой: положительно заряженный пи-мезон должен состоять из протона и антинейтрона, отрицательно заряженный - из нейтрона и антипротона, и нейтральный пи-мезон - из смеси пар протон - антипротон и нейтрон - антинейтрон. Во всех случаях у мезонов оказываются правильные значения электрических зарядов, а их барионные заряды равны нулю.
Модель Ферми - Янга была интересна, но в некоторых отношениях непоследовательна. Трудно было, например, объяснить природу сил, склеивающих тяжелые частицы - нуклон и антинуклон - в сравнительно легкую - пи-мезон. Поэтому многие физики сначала отнеслись к этой модели без особого энтузиазма. Однако заложенные в ней идеи - прежде всего стремление обходиться предельно малым числом действительно элементарных частиц - были исключительно полезны, и через несколько лет эти идеи стали интенсивно развиваться.
После того как "странные" частицы - ка-мезоны и гипероны - окончательно утвердились в качестве особого класса адронов, стало ясно, что одним нуклоном при построении составной модели частиц не обойтись. Ведь нуклон представлял собой образ двух барионов, не имеющих "странности" (протона и нейтрона), а из них никак нельзя было построить, скажем, "странный" ка-мезон. Поэтому физикам пришлось привлекать третью фундаментальную частицу - один из "странных" мезонов или гиперонов. Именно по этому пути и пошли создатели первых универсальных моделей составных адронов советский теоретик академик М. Марков и японский ученый С. Саката.
Несколько более наглядная модель С. Сакаты представляет собой прямое развитие идей Э. Ферми и Ч. Янга. В качестве трех фундаментальных частиц он выбрал протон, нейтрон и лямбда-гиперон и показал, что из них можно в принципе выстроить все остальные частицы адронного семейства. Пи-мезоны строились в этой схеме по тем же правилам, что и в модели Ферми - Янга, а для "странных" мезонов и гиперонов использовались чуть более сложные правила той же зарядовой арифметики (с учетом "странности"). Например, ка-мезон с отрицательным электрическим зарядом и "странностью" минус единица можно построить из лямбда-гиперона (электрический заряд - ноль, "странность" минус единица) и антипротона (электрический заряд - минус единица, "странность" - ноль), а отрицательно заряженный кси-минус-гиперон со "странностью", равной минус два, - из двух лямбда-гиперонов и одного антипротона.
Подобно тому, как протон и нейтрон представляли собой различные состояния нуклона, 3 частицы: протон, нейтрон и лямбда-гиперон - должны были представлять 3 различных состояния некоторой фундаментальной частицы сакатона. В воображаемом мире, где действует только предельно сильное взаимодействие, существовал бы единственный вид фундаментальных адронов сакатоны. При включении умеренно сильных взаимодействий наблюдалось бы уже два типа частиц - нуклон и лямбда-гиперон, то есть тот же сакатон, как бы расщепленный на два наблюдаемых состояния. И, наконец, при включении электромагнитных взаимодействий, когда в микромир допускались фотоны, способные реагировать на электрические заряды, нуклон, в свою очередь, расщеплялся, и появлялись все 3 известных легчайших бариона - протон, нейтрон и лямбда-гиперон.
Гипотеза о фундаментальной роли сакатона оказалась весьма привлекательной и чуть ли не десять лет владела умами исследователей микромира. Еще бы! Ведь, имея перед собой таблицу элементарных частиц, можно было буквально за несколько минут убедиться, что все адроны соответствуют той или иной комбинации из 3 легчайших барионов.
Следовательно, таблица истинно элементарных частиц становилась значительно короче: наряду с фотоном и лептонами она должна была включать только три адрона - протон, нейтрон и лямбда-гиперон, да и те оказывались на самом деле лишь тремя возможными состояниями одного адрона - сакатона...
Остальные адроны являлись составными частицами - вроде атомных ядер.
Но, конечно, физическое понимание такой составной модели не может быть ограничено формальным подбором правильных зарядовых комбинаций. Несмотря на многие интересные попытки улучшения, модель фундаментального сакатона так и не справилась с теми трудностями, которые она, можно сказать, унаследовала от своей предшественницы - модели Ферми - Янга.
Во-первых, аналогия между составными адронами и атомными ядрами не столь уж проста. Как вы помните, протоны и нейтроны, будучи связаны в атомное ядро, теряют на эту связь лишь малую долю своей массы - менее одного процента. Совсем другая ситуация наблюдается в том случае, когда мы пытаемся описать, скажем, пи-ноль-мезон как связанное состояние протона и антипротона. Ведь величина энергии связи протона с антипротоном в 13 раз превышает массу наблюдаемого связанного состояния: пи-ноль-мезона! Напрашивается вывод, что, во-первых, внутренняя структура составных адронов должна иметь какие-то качественные отличия от тех структур, которые известны нам из физики атомов и атомных ядер.
Во-вторых, по-прежнему нуждалась в объяснении природа сил, склеивающих сакатоны в составные мезоны и барионы.
В-третьих, было неясно, чем же качественно выделены именно протон, нейтрон и лямбда-гиперон среди всех других барионов и мезонов. Почему и в каком смысле именно они должны быть более элементарными, чем другие адроны? Ведь массы протона, нейтрона и лямбда-гиперона очень близки по величине к массам сигма- и кси-гиперонов. Тем более что, как вы помните, при создании унитарной классификации все эти нуклоны и гипероны очень естественно вписались в одну из "восьмерок", то есть должны были представлять собой просто 8 различных состояний какой-то одной частицы.
И вообще, согласно схеме унитарной классификации ни один из наблюдаемых мезонов или барионов ничем особым не выделен, ни один из них не может претендовать на роль более элементарной частицы, чем остальные адроны.
Вот именно это последнее обстоятельство и оказалось непреодолимой трудностью для модели фундаментального сакатона.
Сакатон вынужден был уйти из мира реальных частиц и поселиться в красивом замке унитарной симметрии на правах призрака, изменив имя и даже некоторые свойства.
В 1964 году М. Гелл-Манн и молодой теоретик из ЦЕРНа Дж. Цвейг обратили внимание на то, что существует отличная возможность описать все наблюдаемые адроны как определенные составные конструкции из некоторых новых частиц, которые тоже укладываются в схему унитарной классификации, но обладают весьма оригинальными свойствами, резко выделяющими их среди собратьев по микромиру. Речь шла как раз о тех объектах, которые должны были входить в унитарные наборы из трех частиц.
С легкой руки М. Гелл-Манна новые гипотетические частицы стали называться кварками. Необычное слово вызвало, конечно, удивление, но прижилось в физике чрезвычайно быстро. М. Гелл-Манн отыскал его в фантастическом романе "Поминки по Финнегану" - последнем произведении крупнейшего ирландского писателя Дж. Джойса. В этом романе некий таинственный голос вещает о "трех кварках", что звучит в контексте непонятно, но угрожающе. С другой стороны, в немецком языке слово "кварк" имеет совершенно безобидный смысл - "творог". Вот и пойми, что предрекается: то ли злые духи, то ли вкусные творожники...
Мне кажется, что кварк завоевал симпатии физиков по довольно простой причине, благодаря явному созвучию с привычным словом квант - чувствуется, что кварк должен быть осколком чего-то, и не просто частью, а чем-то с трудом отщепленным, скорее всего остроугольным...
Кварк вошел в физику полноправным наследником сакатона. В отличие от последнего он не должен был соответствовать каким-либо уже известным адронам. Однако подобно тому, как сакатон был единым представлением трех частиц - протона, нейтрона и лямбда-гиперона, кварк по праву наследования стал представлять три частицы, которые так и были названы по аналогии пэ-кварк (р), эн-кварк, (n) и лямбда-кварк (л). Необычные свойства кварков выражались прежде всего в том, что их барионные и электрические заряды имели дробные значения в единицах зарядов протона или любой другой известной элементарной частицы. В частности, все барионные заряды кварков должны были составлять 1/3 заряда известных барионов. Пэ-кварк должен был, кроме того, иметь положительный электрический заряд, равный 2/3 заряда протона, а остальные два - эн- и лямбда-кварки - должны были иметь отрицательные заряды по (1/3). И наконец, лямбда-кварк еще обладал "странностью", равной минус единице (-1). При внимательном взгляде на кварки нетрудно заметить, что они действительно напоминают компоненты сакатона - протон, нейтрон и лямбда-гиперон - с той разницей, что барионные заряды кварков меньше на 2/з, а электрические на 1/3, чем у этих барионов.
Предсказание дробных зарядов у кварков показалось физикам весьма необычным, но оно, в сущности, не нарушало никаких фундаментальных законов природы. То, что, например, электрические заряды всех наблюдаемых частиц либо равны по абсолютной величине заряду электрона, либо больше его в целое число раз, - просто экспериментальный факт, смысл которого пока непонятен. И если обнаружились бы более мелкие порции электричества, то это стало бы просто нарушением традиции, а не каких-то определенных законов.
Гораздо более удивительным оказалось другое обстоятельство. Кварковая модель стала превосходным средством для наведения порядка в микромире и испытала большой успех в самых различных приложениях, но вот сами кварки, несмотря на чрезвычайно активные поиски, так и не удалось обнаружить.
Посудите сами. Любой известный барион без труда строится в виде комбинации из трех кварков. Скажем, протон должен состоять из двух пэ-кварков и одного эн-кварка, а отрицательно заряженный кси-минус-гиперон из эн-кварка и двух лямбда-кварков. Пользуясь все той же простой зарядовой арифметикой, можно составить и любой мезон - он непременно должен содержать какой-либо кварк и антикварк, чтобы суммарный барионный заряд этой комбинации был равен нулю. Например, положительно заряженный пи-мезон состоит из пэ-кварка и эн-антикварка, а отрицательно заряженный ка-мезон из лямбда-кварка и пэ-антикварка. В общем, положив перед собой таблицу известных адронов и вспомнив заряды различных кварков, вы могли бы очень быстро установить кварковый состав всех частиц и античастиц.
Но успехи кварковой модели не ограничивались такой удачной классификацией адронов. Модель давала и вполне определенные предсказания о закономерностях, которые должны наблюдаться в процессах сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий при рассеянии и распадах адронов. Большинство таких предсказаний удивительно хорошо подтверждается экспериментальными данными.
Не менее важно и другое - именно кварки позволяли верить в глубокий смысл обнаруженных законов симметрии микромира. Можно сказать, что гипотетические частицы наполнили жизнью красивый замок унитарных симметрии; без кварков он казался бы пустынной, наскоро сколоченной времянкой. Но кварки до сих пор так и остались призраками! Они приносят большую пользу, о них много сказано и написано, наконец, большинство физиков верят в их существование. Но их никто и никогда так и не наблюдал. Между тем история ловли кварков ничуть не уступает, даже, пожалуй, превосходит по драматизму охоту за космическими лучами.
Кварки искали не только на земле, под землей или под водой. Чтобы обнаружить какой-нибудь "зазевавшийся" призрак, перетирались в порошок целые метеориты. Их пытались зарегистрировать в самых первых образцах лунного грунта, с великими трудами и затратами доставленных на нашу планету.
Дело в том, что по крайней мере один из кварков должен был оказаться стабильным, и в силу закона сохранения электрического заряда его дробный заряд можно было бы обнаружить даже после всевозможных взаимодействий этого кварка с обычными частицами вещества. Именно поэтому физики уделяли большое внимание поиску кварков с дробными зарядами и в макроскопических кусках вещества.
Более того, физики обратились к анализу истории наблюдаемой вселенной и к исследованию строения звезд. Уже в 1965 году - всего через год после появления гипотезы кварков - советские теоретики Я. Зельдович, Л. Окунь и С. Пикельнер опубликовали большую статью под названием "Кварки: астрофизический и физико-химический аспекты". В этой работе были даны оценки допустимой плотности реальных кварков в связи с самыми различными возможностями их существования. Вывод был не слишком утешителен; кварков должно быть в 109-1018 раз меньше, чем нуклонов. Последующие теоретические и экспериментальные работы в основном подтвердили это заключение. Кварки, даже если они и существуют в виде отдельных частиц, - редчайшие "звери". Число нуклонов должно, по крайней мере, в тысячи миллиардов раз превышать число кварков.
И уж конечно, трудно перечислить все эксперименты по поиску кварков в потоках космических лучей и среди миллионов событий, полученных на крупнейших ускорителях мира. В программах "Серпухова" и "Батавии" кварковый эксперимент стоял на первом месте - еще только "прогревая" синхротроны для долгосрочной работы, физики пытались отыскать в регистрирующих устройствах следы дробно-заряженных частиц. Упорное нежелание кварков предстать пред нетерпеливыми взорами экспериментаторов стало вызывать тревожные размышления.
Как бы то ни было, а гипотетическиз частицы оказались предельно экономичным средством для "сборки" любого известного адрона. Поэтому сначала даже некоторые существенные неясности в отношении природы сил, связывающих кварки, не могли поколебать безграничной веры большинства физиков в их реальность. В пользу сторонников реальных кварков свидетельствовали и известные нам исторические аналогии.
Вспомните, заявляли они, сколько добрых дел успел совершить протон задолго до своего настоящего открытия. А за 15 лет до экспериментальной регистрации пи-мезона была правильно описана структура атомных ядер, причем ядерный квант до сих пор не раскрывает многих своих тайн. А сколько лет отделяет тюбингенское послание В. Паули от занесения в таблицу элементарных частиц "короля конспирации" нейтрино? А разве не пытались некоторые физики всего за три-четыре года до открытия антипротона придумать уродливую антивселенную с одними позитронами? Да что уж там маленькие сроки, каких-то 15-20 лет, продолжали они, атомистическая гипотеза дожидалась доказательств два с половиной тысячелетия! А ведь все успехи молекулярно-кинетической теории теплоты в прошлом веке связаны именно с атомистическими представлениями. Теперь же, изучив атомно-молекулярный, ядерный и "элементарно-частичный" уровни строения вещества, мы стоим на пороге нового, еще более глубокого уровня, и стоит ли предаваться сомнениям относительно реальности кварков, которые вот-вот окажутся превосходным примером предоткрытия?