Страница:
Попадая в атмосферу Земли, эти высокоэнергетические «космические лучи» сталкиваются с ядрами атомов, составляющих молекулы различных атмосферных веществ, образуя огромное множество вторичных частиц, которые либо подвергаются независимому распаду, либо вступают в дальнейшие взаимодействия — столкновения. Превращения частиц продолжаются до тех пор, пока очередные из них не достигнут Земли. Так, один-единственный протон, попавший в атмосферу Земли, может породить целый каскад явлений, в ходе которых его исходная кинетическая энергия превратится в целый ливень разнообразных частиц и будет постепенно поглощаться по мере продвижения претерпевающих непрестанные изменения частиц к поверхности Земли. То же самое явление, наблюдаемое в ходе экспериментов физики высоких энергий по столкновению частиц, происходит естественным путем в атмосфере нашей планеты, И причем в последнем случае его протекание характеризуется гораздо большей интенсивностью, чем во время экспериментов. Непрерывный поток энергии претерпевает на своем пути к Земле множество изменений, частицы непрерывно возникают и исчезают в ритмическом танце творения и разрушения.
В мире частиц могут происходить не только такие процессы возникновения и уничтожения частиц, которые поддаются детекции при помощи фотографий пузырьковых камер. Важное место среди явлений субатомного мира занимают и процессы возникновения и аннигиляции виртуальных частиц, участвующих в обменных процессах, опосредующих взаимодействия между частицами. Виртуальные частицы существуют не настолько долго, чтобы можно было подтвердить их присутствие экспериментальным путем. Возьмем, к примеру, возникновение двух пионов в результате столкновения протона и антипротона. Пространственно-временной график для данного процесса будет выглядеть следующим образом (см. рис. 38). Не забывайте о том, что время на этих графиках имеет направленность снизу вверх. На этом графике изображены мировые линии протона (р) и антипротона (р-) которые сталкиваются друг с другом в некоторой точке пространства-времени, аннигилируя и образуя два пиона (п+ и п-). И все же этот график не вполне соответствует действительности. Взаимодействие между протоном и антипротоном можно представить в виде процесса обмена виртуальным нейтроном, изображенного на рис. 39.
Точно таким же образом процесс, зафиксированный на рис. 40, приводящий к образованию четырех пионов и результате столкновения протона и антипротона, тоже может быть представлен в виде более сложного обменного процесса, в ходе которого происходит образование и аннигиляция трех виртуальных частиц — двух нейтронов и одного протона.
Нужно учитывать тот факт, что графики в этой части главы довольно схематичны и не дают представления о точных величинах углов между линиями движения частиц.
Соответствующая фейнмановская диаграмма будет выглядеть примерно так (см. рис. 41):
Эта диаграмма чисто схематическая, и не показывает точных углов разлета частиц. Отметим также, что изначальный протон, находящийся в пузырьковой камере, не виден на фотографии (и, соответственно, диаграмме), но имеет свою мировую линию на этой пространственновременной диаграмме, поскольку он движется во времени.
Все эти примеры демонстрируют нам, что следы частиц на фотографиях пузырьковой камеры могут дать только самое общее представление о взаимодействиях частиц. Реальные же процессы состоят из целой последовательности обменов частицами. Если мы вспомним о том, что каждая из частиц, принимающих участие во взаимодействии, постоянно испускает и поглощает виртуальные частицы, картина станет еще более сложной. Так, протон обычно периодически испускает и поглощает нейтральные пионы, иногда он испускает (п+) и превращается в нейтрон, который через некоторое время поглощает этот (п-) и снова превращается в протон. На графиках Фейнмана это отражается в том, что обычная линия протона заменяется на более сложное изображение (см. рис. 42). В ходе этих виртуальных процессов первоначальная частица может на некоторое время исчезнуть, как скажем, на графике "в". Возьмем другой пример — скажем, процесс, в котором отрицательный пион распадается на нейтрон (n) и антипротон (р-), аннигилирующие при последующем столкновении и превращающиеся в исходный пион (см. рис. 43). # # Тут снова был полный бардак с названиями частиц. #
Важно принимать во внимание, что все эти процессы подчиняются законам квантовой теории, а следовательно, имеют вероятную, а не действительную природу. Каждый протон может быть охарактеризован с точки зрения вероятности его существования в форме различных пар: «протон плюс пи0», «нейтрон плюс пи+» и так далее. Перечисленные выше процессы являются простейшими примерами виртуальных взаимодействий. Гораздо более сложные, запутанные паттерны возникают тогда, когда виртуальные частицы порождают другие виртуальные частицы, умножая таким образом число виртуальных взаимодействий (не будем забывать при этом, что вероятности имеют отнюдь не произвольный характер, но подчиняются некоторым общим закономерностям, которым будет посвящена отдельная глава).
В своей книге «Мир элементарных частиц» Кеннет Форд приводит сложный пример такого процесса (см. рис. 44), в ходе которого происходит образование и аннигиляция десяти виртуальных частиц, сопровождая график следующим замечанием: «Этот график представляет собой изображение одной из подобных цепочек явлений, на первый взгляд производящее довольно устрашающее впечатление, но, тем не менее, вполне соответствующее действительности. Каждый протон время от времени принимает участие в этом танце творения и разрушения» [28,209].
Форд — не единственный физик, использовавший выражение типа «танец творения и разрушения», «танец энергии». При попытке представить себе поток энергии, преобразующейся в различные динамические структуры, или частицы, мы естественным образом начинаем сравнивать это с ритмичным танцем. Современная физика обнаружила, что подвижность и изменчивость принадлежат к числу основных свойств материи, и вся материя, независимо от того, где она находится — у нас, на Земле, или в космосе, — всегда принимает участие в непрекращающемся космическом танце.
Динамическое мировоззрение восточных мистиков имеет много общего с мировоззрением современной физики, поэтому неудивительно, что для выражения своего интуитивного восприятия природы мистики тоже используют образ танца. Прекрасный пример такого рода мы находим в книге Александры Дэвид-Неел «Путешествие в Тибет», в описании встречи автора с ламой, представившемся как «властелин звука» и изложившим свои взгляды на природу материи следующим образом: «Все вещи... суть скопления атомов, которые танцуют, и посредством своего движения рождают звуки. Когда ритм их танца изменяется, рождаемый ими звук тоже претерпевает изменения... Каждый атом непрерывно поет свою собственную песню, а звук рождает в этот момент времени плотные и тонкие формы» [22, 186].
Сходство этого подхода с мировоззрением современной физики становится еще более очевидным, если мы вспомним о том, что звук — это волна с определенной частотой, которая изменяется вместе с изменением звука, и что частицы — современный эквивалент старого понятия «атомы» — тоже представляет собой волны, частота колебания которых пропорциональна их запасу энергии. Согласно теории поля, действия каждой частицы сводятся к тому, что она «непрерывно поет свою собственную песню», ритмически порождая энергетические паттерны (виртуальные частицы) в виде «плотных и тонких форм».
Метафора космического танца нашла наибольшее воплощение в индуизме в образе танцующего бога Шивы. Шива, один из древнейших и наиболее почитаемых божеств Индии, обладающих множеством перерождений, является Королем Танцоров. Согласно представлениям индуистов, любая человеческая жизнь представляет собой составную часть всеобщего ритмического процесса творения и разрушения, смерти и воскрешения, а танец Шивы символизирует ритм вечной пульсации между жизнью и смертью, характеризующийся безначальной и бесконечной цикличностью. По словам Ананды Кумарасвами: «Во время ночи Брахмана природа сохраняет неподвижность и не может танцевать до тех пор, пока этого не захочет Шива: он восстает из своего экстаза и, танцующий, пронизывает неподвижную материю волнами несущего пробуждения звука, и-чу! — материя тоже начинает танцевать, окружая Его в своей вечной славе. Танцуя, он поддерживает существование многообразных явлений природы. По истечении времени, все еще продолжая танцевать, Он уничтожает в огне все формы и имена, и снова дает Природе отдых. Это поэзия, и в То же время — наука» [20, 78].
Танец Шивы символизирует не только последовательные циклы творения и разрушения, но и ритм повседневных рождений и смертей, который в индуизме считается основой всякого бытия. В то же время Шива, творящий разнообразные формы материального мира и вновь растворяющий их в плавном течении своего танца, напоминает нам о том, что все формы есть майя, что они не имеют фундаментальной сущности, являясь преходящими и иллюзорными. Генрих Циммер описывает это положение индуистской философии в следующих выражениях: «Его движения — одновременно резкие и исполненные грации — порождают космическую иллюзию; его стремительно движущиеся руки, ноги, и изгиб торса порождают беспрестанное сотворение-уничтожение Вселенной, а точнее — являются таковыми, причем смерть полностью уравновешивает жизнь, и исчезновение полагается закономерным исходом всякого возникновения» [89,155].
Индийские скульпторы десятого — двенадцатого веков создали много бронзовых изображений танцующего Шивы с четырьмя руками, удивительная симметричность и, в то же время, динамичность расположения которых в пространстве передает идею ритмичности и единства проявлений жизни. Каждому жесту Шивы индуистская традиция приписывает особое символическое значение. В правой верхней руке бог держит бубен, символизирующий первозданный звук творения; на его левой верхней ладони мы видим пламя, символизирующее разрушение. Уравновешенность двух верхних рук символизирует динамическое равновесие процессов созидания и разрушения в нашем мире, которое становится еще более очевидным при взгляде на отрешенное лицо Шивы, находящееся на одинаковом удалении от обеих рук и воплощающее идею трансцендирования противопоставления между сотворением и разрушением. Вторая правая рука воздета в успокаивающем жесте, символизирующем состояние защищенности и умиротворения, тогда как вторая левая рука указывает на приподнятую ступню, что означает освобождение от чар майи. Шива изображается танцующим на теле поверженного демона, олицетворяющего человеческое невежество, которое стоит на пути тех, кто стремится к освобождению.
Танец Шивы, по словам Кумарасвами, представляет собой «яснейший образ божественной деятельности, которым по праву могла бы гордиться любая религия и любое искусство» [20, 67]. Поскольку божество является одной из персонификаций Брахмана, его деятельность сводится к порождению и уничтожению мириадов материальных воплощений последнего. Танец Шивы — это танцующая Вселенная, бесконечный поток энергии, принимающий бесчисленное множество рисунков, которые склонны плавно переливаться друг в друга.
Современная физика пришла к выводу, что ритм сотворения и разрушения присутствует не только в чередовании времен года и физическом рождении и гибели живых существ, но и выступает в качестве основной сущности неорганической материи. Согласно теории квантового поля, все взаимодействия между составными частями материи осуществляются посредством испускания и поглощения виртуальных частиц. Более того, танец творения и разрушения представляет собой единственно возможную форму существования самого вещества, так как все материальные частицы «самовзаимодействуют», испуская и поглощая виртуальные частицы. Таким образом, современная физика постулирует то положение, согласно которому, каждая частица принимает участие в танце энергии, одновременно ЯВЛЯЯСЬ этим танцем, пульсирующим процессом творения и разрушения.
Рисунки этого танца характеризуют сущность каждой частицы и ее свойства. Так, например, запас энергии, необходимый для испускания и поглощения виртуальной частицы, эквивалентен определенному количеству массы, которое добавляется к массе самовзаимодействующей частицы. Различные частицы принимают разное участие в этом танце; каждая из них имеет своя параметры энергии и массы. Наконец, виртуальные частицы не только представляют собой единственное средство осуществления взаимодействий между частицами, а, соответственно, и объяснение их свойств, но могут порождаться вакуумом и черпать свою энергию из него. Таким образом, в космическом танце принимает участие не только материя, но и Пустота, бесконечно творя и разрушая энергетические паттерны.
Современные физики воспринимают танец Шивы как танец субатомной материи. Как и в индуистской мифологии, последний представляет собой бесконечный танец сотворения и разрушения, в котором принимает участие весь космос; основу всякого бытия и всех явлений природы. Столетия тому назад индийские скульпторы создавали величественные бронзовые изваяния танцующего Шивы. В наше время физики разработали сложнейшие приборы для того, чтобы получить портрет Вселенной в ее космическом Танце. Фотографии пузырьковой камеры, на которых запечатлены взаимодействия частиц, тоже являются изображениями рисунка танца Шивы, которые не уступают по красоте и значению своим индуистским аналогам. Эти фотографии доказывают, что Вселенная постоянно претерпевает процессы ритмического сотворения и разрушения. Таким образом, метафора космического танца объединяет древнюю мифологию, религиозное искусство и современную физику. Как говорит Кумарасвами, эта метафора представляет собой «поэзию, и в то же время — науку».
Точно таким же образом процесс, зафиксированный на рис. 40, приводящий к образованию четырех пионов и результате столкновения протона и антипротона, тоже может быть представлен в виде более сложного обменного процесса, в ходе которого происходит образование и аннигиляция трех виртуальных частиц — двух нейтронов и одного протона.
Соответствующая фейнмановская диаграмма будет выглядеть примерно так (см. рис. 41):
Эта диаграмма чисто схематическая, и не показывает точных углов разлета частиц. Отметим также, что изначальный протон, находящийся в пузырьковой камере, не виден на фотографии (и, соответственно, диаграмме), но имеет свою мировую линию на этой пространственновременной диаграмме, поскольку он движется во времени.
Все эти примеры демонстрируют нам, что следы частиц на фотографиях пузырьковой камеры могут дать только самое общее представление о взаимодействиях частиц. Реальные же процессы состоят из целой последовательности обменов частицами. Если мы вспомним о том, что каждая из частиц, принимающих участие во взаимодействии, постоянно испускает и поглощает виртуальные частицы, картина станет еще более сложной. Так, протон обычно периодически испускает и поглощает нейтральные пионы, иногда он испускает (п+) и превращается в нейтрон, который через некоторое время поглощает этот (п-) и снова превращается в протон. На графиках Фейнмана это отражается в том, что обычная линия протона заменяется на более сложное изображение (см. рис. 42). В ходе этих виртуальных процессов первоначальная частица может на некоторое время исчезнуть, как скажем, на графике "в". Возьмем другой пример — скажем, процесс, в котором отрицательный пион распадается на нейтрон (n) и антипротон (р-), аннигилирующие при последующем столкновении и превращающиеся в исходный пион (см. рис. 43). # # Тут снова был полный бардак с названиями частиц. #
Форд — не единственный физик, использовавший выражение типа «танец творения и разрушения», «танец энергии». При попытке представить себе поток энергии, преобразующейся в различные динамические структуры, или частицы, мы естественным образом начинаем сравнивать это с ритмичным танцем. Современная физика обнаружила, что подвижность и изменчивость принадлежат к числу основных свойств материи, и вся материя, независимо от того, где она находится — у нас, на Земле, или в космосе, — всегда принимает участие в непрекращающемся космическом танце.
Динамическое мировоззрение восточных мистиков имеет много общего с мировоззрением современной физики, поэтому неудивительно, что для выражения своего интуитивного восприятия природы мистики тоже используют образ танца. Прекрасный пример такого рода мы находим в книге Александры Дэвид-Неел «Путешествие в Тибет», в описании встречи автора с ламой, представившемся как «властелин звука» и изложившим свои взгляды на природу материи следующим образом: «Все вещи... суть скопления атомов, которые танцуют, и посредством своего движения рождают звуки. Когда ритм их танца изменяется, рождаемый ими звук тоже претерпевает изменения... Каждый атом непрерывно поет свою собственную песню, а звук рождает в этот момент времени плотные и тонкие формы» [22, 186].
Сходство этого подхода с мировоззрением современной физики становится еще более очевидным, если мы вспомним о том, что звук — это волна с определенной частотой, которая изменяется вместе с изменением звука, и что частицы — современный эквивалент старого понятия «атомы» — тоже представляет собой волны, частота колебания которых пропорциональна их запасу энергии. Согласно теории поля, действия каждой частицы сводятся к тому, что она «непрерывно поет свою собственную песню», ритмически порождая энергетические паттерны (виртуальные частицы) в виде «плотных и тонких форм».
Метафора космического танца нашла наибольшее воплощение в индуизме в образе танцующего бога Шивы. Шива, один из древнейших и наиболее почитаемых божеств Индии, обладающих множеством перерождений, является Королем Танцоров. Согласно представлениям индуистов, любая человеческая жизнь представляет собой составную часть всеобщего ритмического процесса творения и разрушения, смерти и воскрешения, а танец Шивы символизирует ритм вечной пульсации между жизнью и смертью, характеризующийся безначальной и бесконечной цикличностью. По словам Ананды Кумарасвами: «Во время ночи Брахмана природа сохраняет неподвижность и не может танцевать до тех пор, пока этого не захочет Шива: он восстает из своего экстаза и, танцующий, пронизывает неподвижную материю волнами несущего пробуждения звука, и-чу! — материя тоже начинает танцевать, окружая Его в своей вечной славе. Танцуя, он поддерживает существование многообразных явлений природы. По истечении времени, все еще продолжая танцевать, Он уничтожает в огне все формы и имена, и снова дает Природе отдых. Это поэзия, и в То же время — наука» [20, 78].
Танец Шивы символизирует не только последовательные циклы творения и разрушения, но и ритм повседневных рождений и смертей, который в индуизме считается основой всякого бытия. В то же время Шива, творящий разнообразные формы материального мира и вновь растворяющий их в плавном течении своего танца, напоминает нам о том, что все формы есть майя, что они не имеют фундаментальной сущности, являясь преходящими и иллюзорными. Генрих Циммер описывает это положение индуистской философии в следующих выражениях: «Его движения — одновременно резкие и исполненные грации — порождают космическую иллюзию; его стремительно движущиеся руки, ноги, и изгиб торса порождают беспрестанное сотворение-уничтожение Вселенной, а точнее — являются таковыми, причем смерть полностью уравновешивает жизнь, и исчезновение полагается закономерным исходом всякого возникновения» [89,155].
Индийские скульпторы десятого — двенадцатого веков создали много бронзовых изображений танцующего Шивы с четырьмя руками, удивительная симметричность и, в то же время, динамичность расположения которых в пространстве передает идею ритмичности и единства проявлений жизни. Каждому жесту Шивы индуистская традиция приписывает особое символическое значение. В правой верхней руке бог держит бубен, символизирующий первозданный звук творения; на его левой верхней ладони мы видим пламя, символизирующее разрушение. Уравновешенность двух верхних рук символизирует динамическое равновесие процессов созидания и разрушения в нашем мире, которое становится еще более очевидным при взгляде на отрешенное лицо Шивы, находящееся на одинаковом удалении от обеих рук и воплощающее идею трансцендирования противопоставления между сотворением и разрушением. Вторая правая рука воздета в успокаивающем жесте, символизирующем состояние защищенности и умиротворения, тогда как вторая левая рука указывает на приподнятую ступню, что означает освобождение от чар майи. Шива изображается танцующим на теле поверженного демона, олицетворяющего человеческое невежество, которое стоит на пути тех, кто стремится к освобождению.
Танец Шивы, по словам Кумарасвами, представляет собой «яснейший образ божественной деятельности, которым по праву могла бы гордиться любая религия и любое искусство» [20, 67]. Поскольку божество является одной из персонификаций Брахмана, его деятельность сводится к порождению и уничтожению мириадов материальных воплощений последнего. Танец Шивы — это танцующая Вселенная, бесконечный поток энергии, принимающий бесчисленное множество рисунков, которые склонны плавно переливаться друг в друга.
Современная физика пришла к выводу, что ритм сотворения и разрушения присутствует не только в чередовании времен года и физическом рождении и гибели живых существ, но и выступает в качестве основной сущности неорганической материи. Согласно теории квантового поля, все взаимодействия между составными частями материи осуществляются посредством испускания и поглощения виртуальных частиц. Более того, танец творения и разрушения представляет собой единственно возможную форму существования самого вещества, так как все материальные частицы «самовзаимодействуют», испуская и поглощая виртуальные частицы. Таким образом, современная физика постулирует то положение, согласно которому, каждая частица принимает участие в танце энергии, одновременно ЯВЛЯЯСЬ этим танцем, пульсирующим процессом творения и разрушения.
Рисунки этого танца характеризуют сущность каждой частицы и ее свойства. Так, например, запас энергии, необходимый для испускания и поглощения виртуальной частицы, эквивалентен определенному количеству массы, которое добавляется к массе самовзаимодействующей частицы. Различные частицы принимают разное участие в этом танце; каждая из них имеет своя параметры энергии и массы. Наконец, виртуальные частицы не только представляют собой единственное средство осуществления взаимодействий между частицами, а, соответственно, и объяснение их свойств, но могут порождаться вакуумом и черпать свою энергию из него. Таким образом, в космическом танце принимает участие не только материя, но и Пустота, бесконечно творя и разрушая энергетические паттерны.
Современные физики воспринимают танец Шивы как танец субатомной материи. Как и в индуистской мифологии, последний представляет собой бесконечный танец сотворения и разрушения, в котором принимает участие весь космос; основу всякого бытия и всех явлений природы. Столетия тому назад индийские скульпторы создавали величественные бронзовые изваяния танцующего Шивы. В наше время физики разработали сложнейшие приборы для того, чтобы получить портрет Вселенной в ее космическом Танце. Фотографии пузырьковой камеры, на которых запечатлены взаимодействия частиц, тоже являются изображениями рисунка танца Шивы, которые не уступают по красоте и значению своим индуистским аналогам. Эти фотографии доказывают, что Вселенная постоянно претерпевает процессы ритмического сотворения и разрушения. Таким образом, метафора космического танца объединяет древнюю мифологию, религиозное искусство и современную физику. Как говорит Кумарасвами, эта метафора представляет собой «поэзию, и в то же время — науку».
Глава 16. СИММЕТРИЯ В МИРЕ КВАРКОВ — «ЕЩЕ ОДИН КОАН?»
В субатомном мире безраздельно властвуют ритм, движение и непрестанное изменение. Все изменения не случайны и не произвольны. Они следуют очень четким и ясным паттернам. Начнем с того, что все частицы той или иной разновидности абсолютно идентичны по массе, величине электрического заряда и другим характерным показателям. Далее, все заряженные частицы имеют электрический заряд, который либо равен заряду электрона, либо противоположен ему по знаку, либо превышает его в два раза. То же относится к остальным характеристикам частиц; они могут принимать не любые произвольные значения, а только ограниченное их количество, что позволяет нам разделить частицы на несколько групп, которые могут быть также названы «семьями». Это подводит нас к вопросу: каким образом такие определенные паттерны возникают в динамическом и изменчивом мире частиц?
Возникновение четких паттернов в структуре материи — вовсе не новое явление. Оно уже хорошо известно в мире атомов. Как и субатомные частицы, все атомы, принадлежащие к одной и той же разновидности, характеризуются идентичным строением. В периодической таблице все разновидности атомов, или элементы, объединены в несколько больших групп. В наше время ученые хорошо представляют себе основания для такой классификации: она зависит от количества протонов и нейтронов в их ядрах и от распределения электронов по сферическим орбитам вокруг ядер, или «оболочкам». Как уже говорилось ранее, электроны имеют свойства волн (см. гл. 4). Поэтому расстояние между электронными орбитами и количество вращения, которым может обладать электрон, характеризуется несколькими устойчивыми значениями, которые зависят от колебаний электронных волн. Соответственно, в структуре атома возникают определенные паттерны, которые характеризуются набором «квантовых чисел» и которые отражают колебательные паттерны электронных волн на орбитах внутри атома. Эти колебания определяют «квантовые состояния» атома. Поэтому два атома, находящихся в «основном состоянии» или же в одном из «возбужденных состояний», имеют одну и ту же внутреннюю структуру.
Паттерны в мире частиц во многом схожи с паттернами в мире атомов. Так, большинство частиц вращается вокруг своей оси, подобно юле. Их спины могут принимать только некоторые определенные значения, представляющие собой интеграл, помноженный на какую-то базовую единицу. Барионы, например, могут иметь спин, равный 1/2, 3/2, 5/2 и т. д., тогда как мезоны могут иметь спин, равный 0, 1, 2, и т.д. Спин субатомной частицы напоминает нам о количествах вращений электронов на орбитах внутри атома. Спин электрона тоже может быть только целым числом.
Сходство с атомными паттернами усиливается после знакомства с тем фактом, что все сильно взаимодействующие частицы, иначе именуемые адронами, могут быть расположены в четкой последовательности друг за другом. Адроны обладают очень схожими свойствами, и единственное различие между ними вызвано различием их масс и спинов. Частицы с наибольшим порядковыми номерами внутри этой последовательности характеризуются чрезвычайной недолговечностью и носят наименование резонансов. За последнее десятилетие ученым удалось обнаружить много таких резонансов. Масса и спин резонансов увеличивается четко определенным образом, и их последовательность, судя по всему, заканчивается в бесконечности. Четкие закономерности построения этой последовательности чем-то напоминает закономерности перехода атома в различные возбужденные состояния, вследствие чего физики рассматривают частицы с большим порядковым номером внутри этой последовательности не в качестве самостоятельных частиц, а в качестве возбужденных состояний частицы с наименьшей массой. Таким образом, адрон, как и атом, может на какое-то время существовать в различных возбужденных состояниях, которые отличаются от его обычного состояния большим количеством вращений (или спин), и большей энергией (или массой).
Сходство квантовых состояний атомов и адронов наводит на мысль о том, что адроны тоже представляют собой сложные объекты, имеющие внутреннюю структуру и способные «возбуждаться», то есть поглощать энергию для образования различных паттернов. Однако, сегодня мы еще не понимаем, как образуются эти паттерны. В атомной физике их можно объяснить в терминах свойств и взаимодействий компонентов атома (протонов, нейтронов и электронов), однако, это объяснение пока не может быть применено для описания явлений мира частиц. Паттерны, обнаруженные в мире частиц, были определены и классифицированы чисто эмпирическим путем, и их невозможно еще исчислить из составляющей частицы структуры.
Главная сложность, с которой сталкиваются исследователи, занимающиеся физикой частиц, заключается в том, что классические представления о сложных «объектах», состоящих из «составных частей», оказываются бесполезными при описании субатомных частиц. Узнать, из каких «составных частей» состоят частицы, можно только одним путем — путем наблюдения за их столкновениями. Однако результаты подобных экспериментов по столкновению частиц отнюдь не подтверждают гипотезу «составных частей»: более мелких единиц вещества получить не удается. Например, два протона могут после столкновения разлететься на множество «осколков», но среди них никогда не будет «кусочков протона». Эти осколки всегда будут представлять собой целые адроны, образующиеся из кинетических энергий и масс сталкивающихся протонов. Поэтому распад на «составляющие» носит не очень очевидный характер и зависит от количества энергии, принимающего участие в процессе. В данном случае мы имеем дело с типично релятивистской ситуацией чередования и переплетения энергетических узоров, которые не могут рассматриваться в терминах статических сложных объектов и составных частей. О «структуре» атомной частицы можно говорить только в одном смысле — в смысле ее способности принимать участие в различных процессах и взаимодействиях.
Способы преобразования частиц во время высокоэнергетических столкновений подчиняются определенным законам, которые могут быть использованы для описания мира частиц. В шестидесятые годы, когда было открыто основное большинство частиц, известных современной науке, многие физики уделяли внимание, главным образом, изучению и сопоставлению закономерностей этих преобразований, а не попыткам решить, что же лежит в основе таких динамических паттернов, которые мы называем частицами. Это было вполне естественно, и наука добилась на этом пути больших успехов. Важную роль в исследованиях того периода играло понятие симметрии. Придав понятию геометрической симметрии более общий и абстрактный характер, физики приобрели очень ценный критерий для классификации частиц.
В повседневной жизни самым наглядным примером симметрии является отражение в зеркале; мы говорим о фигуре, что она симметрична, в том случае, если через центр этой фигуры можно провести прямую (рис. 45), которая разделит ее на две части, являющиеся зеркальными отражениями друг друга. Более высокий уровень симметрии предусматривает наличие нескольких линий, или осей симметрии, как, например, в одном из символических изображений, использующихся в буддизме (см. рис. 46).
Однако отражение — не единственная операция, позволяющая достичь симметрии. Мы называем симметричной и такую фигуру, которая не изменяет своего облика, будучи повернута на определенный угол вокруг. своей оси. Симметрия вращения используется, в частности, в знаменитом китайском символе Тайцзи, или Великого предела, выражающем идею объединения двух начал — ИНЬ и ЯН (см. рис. 47).
В физике частиц явления симметрии зачастую связаны не только с процессами отражения и вращения, а последние могут происходить не только в обычном пространстве (и времени), но и в абстрактных математических пространствах. Симметричными могут быть отдельные частицы или их группы, а поскольку свойства частиц определяются их способностью участвовать во взаимодействиях, или процессах, все операции, позволяющие достичь симметрии, связаны здесь с «законами сохранения». Если какой-либо субатомный процесс характеризуется симметрией, можно с уверенностью утверждать, что в нем принимает участие некая константа, или постоянная величина. Константы являются маленькими островками стабильности в сложном танце субатомной материи и могут помочь нам в описании взаимодействий частиц. Некоторые величины остаются константами, или «сохраняются», во всех взаимодействиях, некоторые — только в их части. В результате в каждом процессе принимает участие определенное количество констант. Поэтому симметричность частиц и их взаимодействий воплощается в законах сохранения. Физики используют обе эти формулировки, говоря то о симметрии процесса, то о соответствующем законе сохранения.
Существуют четыре основные разновидности законов сохранения, представляющихся общими для всех процессов. Три из них связаны с простыми операциями, позволяющими достичь симметрии в обычном пространстве и времени. Все взаимодействия частиц характеризуются симметричностью в отношении пространственных перемещений: в Лондоне они происходят точно таким же образом, как и в Нью-Йорке. Они обладают симметричностью и в отношении перемещений во времени, протекая во вторник точно так же, как и в четверг. Одна из симметрий связана с сохранением импульса, вторая — с сохранением энергии. Это означает, что суммарная величина импульса, принимающего участие в каком-либо взаимодействии, а также суммарное количество энергии частиц, включающей их массы, остаются постоянными до начала реакции и после ее завершения. Третий основополагающий тип симметрии связан с расположением в пространстве. Смысл этой симметрии заключается в том, что направление движения частиц, принимающих участие во взаимодействии (скажем, вдоль оси север-юг или запад-восток), не оказывает никакого влияния на результаты взаимодействия. Как следствие этой закономерности, суммарное количество вращения не должно изменяться во время процесса. Наконец, четвертым законом является закон сохранения электрического заряда. Он связан с более сложной операцией симметрии. однако его формулировка в качестве закона сохранения предельно проста: суммарный электрический заряд, присущий всем участвующим в столкновении частицам, остается неизменным.
Возникновение четких паттернов в структуре материи — вовсе не новое явление. Оно уже хорошо известно в мире атомов. Как и субатомные частицы, все атомы, принадлежащие к одной и той же разновидности, характеризуются идентичным строением. В периодической таблице все разновидности атомов, или элементы, объединены в несколько больших групп. В наше время ученые хорошо представляют себе основания для такой классификации: она зависит от количества протонов и нейтронов в их ядрах и от распределения электронов по сферическим орбитам вокруг ядер, или «оболочкам». Как уже говорилось ранее, электроны имеют свойства волн (см. гл. 4). Поэтому расстояние между электронными орбитами и количество вращения, которым может обладать электрон, характеризуется несколькими устойчивыми значениями, которые зависят от колебаний электронных волн. Соответственно, в структуре атома возникают определенные паттерны, которые характеризуются набором «квантовых чисел» и которые отражают колебательные паттерны электронных волн на орбитах внутри атома. Эти колебания определяют «квантовые состояния» атома. Поэтому два атома, находящихся в «основном состоянии» или же в одном из «возбужденных состояний», имеют одну и ту же внутреннюю структуру.
Паттерны в мире частиц во многом схожи с паттернами в мире атомов. Так, большинство частиц вращается вокруг своей оси, подобно юле. Их спины могут принимать только некоторые определенные значения, представляющие собой интеграл, помноженный на какую-то базовую единицу. Барионы, например, могут иметь спин, равный 1/2, 3/2, 5/2 и т. д., тогда как мезоны могут иметь спин, равный 0, 1, 2, и т.д. Спин субатомной частицы напоминает нам о количествах вращений электронов на орбитах внутри атома. Спин электрона тоже может быть только целым числом.
Сходство с атомными паттернами усиливается после знакомства с тем фактом, что все сильно взаимодействующие частицы, иначе именуемые адронами, могут быть расположены в четкой последовательности друг за другом. Адроны обладают очень схожими свойствами, и единственное различие между ними вызвано различием их масс и спинов. Частицы с наибольшим порядковыми номерами внутри этой последовательности характеризуются чрезвычайной недолговечностью и носят наименование резонансов. За последнее десятилетие ученым удалось обнаружить много таких резонансов. Масса и спин резонансов увеличивается четко определенным образом, и их последовательность, судя по всему, заканчивается в бесконечности. Четкие закономерности построения этой последовательности чем-то напоминает закономерности перехода атома в различные возбужденные состояния, вследствие чего физики рассматривают частицы с большим порядковым номером внутри этой последовательности не в качестве самостоятельных частиц, а в качестве возбужденных состояний частицы с наименьшей массой. Таким образом, адрон, как и атом, может на какое-то время существовать в различных возбужденных состояниях, которые отличаются от его обычного состояния большим количеством вращений (или спин), и большей энергией (или массой).
Сходство квантовых состояний атомов и адронов наводит на мысль о том, что адроны тоже представляют собой сложные объекты, имеющие внутреннюю структуру и способные «возбуждаться», то есть поглощать энергию для образования различных паттернов. Однако, сегодня мы еще не понимаем, как образуются эти паттерны. В атомной физике их можно объяснить в терминах свойств и взаимодействий компонентов атома (протонов, нейтронов и электронов), однако, это объяснение пока не может быть применено для описания явлений мира частиц. Паттерны, обнаруженные в мире частиц, были определены и классифицированы чисто эмпирическим путем, и их невозможно еще исчислить из составляющей частицы структуры.
Главная сложность, с которой сталкиваются исследователи, занимающиеся физикой частиц, заключается в том, что классические представления о сложных «объектах», состоящих из «составных частей», оказываются бесполезными при описании субатомных частиц. Узнать, из каких «составных частей» состоят частицы, можно только одним путем — путем наблюдения за их столкновениями. Однако результаты подобных экспериментов по столкновению частиц отнюдь не подтверждают гипотезу «составных частей»: более мелких единиц вещества получить не удается. Например, два протона могут после столкновения разлететься на множество «осколков», но среди них никогда не будет «кусочков протона». Эти осколки всегда будут представлять собой целые адроны, образующиеся из кинетических энергий и масс сталкивающихся протонов. Поэтому распад на «составляющие» носит не очень очевидный характер и зависит от количества энергии, принимающего участие в процессе. В данном случае мы имеем дело с типично релятивистской ситуацией чередования и переплетения энергетических узоров, которые не могут рассматриваться в терминах статических сложных объектов и составных частей. О «структуре» атомной частицы можно говорить только в одном смысле — в смысле ее способности принимать участие в различных процессах и взаимодействиях.
Способы преобразования частиц во время высокоэнергетических столкновений подчиняются определенным законам, которые могут быть использованы для описания мира частиц. В шестидесятые годы, когда было открыто основное большинство частиц, известных современной науке, многие физики уделяли внимание, главным образом, изучению и сопоставлению закономерностей этих преобразований, а не попыткам решить, что же лежит в основе таких динамических паттернов, которые мы называем частицами. Это было вполне естественно, и наука добилась на этом пути больших успехов. Важную роль в исследованиях того периода играло понятие симметрии. Придав понятию геометрической симметрии более общий и абстрактный характер, физики приобрели очень ценный критерий для классификации частиц.
Однако отражение — не единственная операция, позволяющая достичь симметрии. Мы называем симметричной и такую фигуру, которая не изменяет своего облика, будучи повернута на определенный угол вокруг. своей оси. Симметрия вращения используется, в частности, в знаменитом китайском символе Тайцзи, или Великого предела, выражающем идею объединения двух начал — ИНЬ и ЯН (см. рис. 47).
В физике частиц явления симметрии зачастую связаны не только с процессами отражения и вращения, а последние могут происходить не только в обычном пространстве (и времени), но и в абстрактных математических пространствах. Симметричными могут быть отдельные частицы или их группы, а поскольку свойства частиц определяются их способностью участвовать во взаимодействиях, или процессах, все операции, позволяющие достичь симметрии, связаны здесь с «законами сохранения». Если какой-либо субатомный процесс характеризуется симметрией, можно с уверенностью утверждать, что в нем принимает участие некая константа, или постоянная величина. Константы являются маленькими островками стабильности в сложном танце субатомной материи и могут помочь нам в описании взаимодействий частиц. Некоторые величины остаются константами, или «сохраняются», во всех взаимодействиях, некоторые — только в их части. В результате в каждом процессе принимает участие определенное количество констант. Поэтому симметричность частиц и их взаимодействий воплощается в законах сохранения. Физики используют обе эти формулировки, говоря то о симметрии процесса, то о соответствующем законе сохранения.
Существуют четыре основные разновидности законов сохранения, представляющихся общими для всех процессов. Три из них связаны с простыми операциями, позволяющими достичь симметрии в обычном пространстве и времени. Все взаимодействия частиц характеризуются симметричностью в отношении пространственных перемещений: в Лондоне они происходят точно таким же образом, как и в Нью-Йорке. Они обладают симметричностью и в отношении перемещений во времени, протекая во вторник точно так же, как и в четверг. Одна из симметрий связана с сохранением импульса, вторая — с сохранением энергии. Это означает, что суммарная величина импульса, принимающего участие в каком-либо взаимодействии, а также суммарное количество энергии частиц, включающей их массы, остаются постоянными до начала реакции и после ее завершения. Третий основополагающий тип симметрии связан с расположением в пространстве. Смысл этой симметрии заключается в том, что направление движения частиц, принимающих участие во взаимодействии (скажем, вдоль оси север-юг или запад-восток), не оказывает никакого влияния на результаты взаимодействия. Как следствие этой закономерности, суммарное количество вращения не должно изменяться во время процесса. Наконец, четвертым законом является закон сохранения электрического заряда. Он связан с более сложной операцией симметрии. однако его формулировка в качестве закона сохранения предельно проста: суммарный электрический заряд, присущий всем участвующим в столкновении частицам, остается неизменным.