a = e2/ hc ~ 1/137
Эта чрезвычайно важная физическая величина часто называется константой связи электромагнитных взаимодействий.
Тот факт, что она мала по сравнению с единицей, значительно облегчает все расчеты в квантовой электродинамике и упрощает конкретные модели тех или иных процессов. Благодаря малости константы связи теоретикам удалось построить хорошие методы расчета различных наблюдаемых характеристик электромагнитных взаимодействий, и их результаты на сегодняшний день превосходно согласуются с экспериментальными данными.
Казалось бы, если есть такое согласование, то все хорошо. Но теоретики на этом не остановились - они решили проверить, сохранится ли столь приятная картина и в дальнейшем, то есть при переходе к сколь угодно малым расстояниям, на которых происходит взаимодействие. Исследуя эту проблему, советские физики Л. Ландау, И. Померанчук и другие пришли к неутешительному выводу, что квантовая электродинамика в ее современной форме вообще неприменима к описанию процессов, происходящих с участием бесструктурных точечных электронов на очень малых расстояниях. Конкретно их результаты сводились к весьма парадоксальному положению: при попытке описать поведение зарядов и квантов электромагнитного поля в очень малых областях пространства оказывалось, что взаимодействие на больших расстояниях... исчезает!
Конечно же, этот факт противоречит известным результатам наблюдений и должен рассматриваться как своеобразный способ доказательства "от противного", доказательства того, что электродинамика не является полностью удовлетворительной теорией и должна быть существенно изменена для описания процессов при очень высоких энергиях и на очень малых расстояниях. В чем же суть полученных противоречий?
А в том, что представления электродинамики требуют рассмотрения особого типа объектов - виртуальных частиц.
Виртуальные частицы обычно имеют те же названия, что и реальные, скажем, фотоны или электроны, но обладают одним важным свойством, отличающим их от реальных частиц, - они испускаются и поглощаются непосредственно в микроскопически малой области взаимодействия и никогда не вылетают наружу и не регистрируются макроскопическими приборами. Скажем, электрон в процессе движения может как бы взаимодействовать сам с собой, испуская и тут же поглощая фотоны. В свою очередь, фотон может превратиться в пару, состоящую из электрона и позитрона, которые сразу же, вслед за образованием, снова аннигилируют, превращаясь в фотон.
Благодаря этим процессам реальный электрон должен непрерывно излучать и поглощать фотоны - он словно одевается в своеобразную "шубу" из виртуальных фотонов и электрон-позитронных пар. Чем глубже мы пытаемся проникнуть к центру электрона, тем более плотной становится его "шуба". На достаточно больших расстояниях электрон выглядит как точечный объект, несущий определенный электрический заряд. Но когда мы попытаемся узнать заряд "голого" электрона, без всякой "шубы" из виртуальных частиц, то есть настоящего точечного электрона, то окажется, что этот заряд бесконечно большой.
Такое положение крайне неудовлетворительно. Ведь физика всегда имела дело с зарядами, обладающими конечными - пусть очень большими, но конечными - значениями. А тут получается совершенно неприемлемое бесконечное значение. Можно ли избежать этой неприятности?
Оказывается, можно, но весьма дорогой ценой. Можно просто считать, что электрический заряд "голого" электрона, для которого как бы не существует взаимодействия с фотонами, имеет конечное значение. Но тогда неизбежно получается, что заряд реального электрона вообще должен быть равен нулю и тогда он не сумеет взаимодействовать с фотонами и другими зарядами. Такая картина формально допустима, но она противоречит известному факту - реальные электроны все-таки имеют заряды.
Итак, в любом случае - конечен заряд "голого" точечного электрона или бесконечен - мы приходим к неприемлемой картине.
Несмотря на довольно сложный характер теории, причина всех трудностей довольно проста и наглядна.
Обсудим следующий пример. Пусть в вещество, где существует равное количество положительных и отрицательных зарядов, вводится новый, скажем для определенности, отрицательный заряд. При этом равновесие между различными зарядами вещества, конечно, нарушится. Новый заряд начнет притягивать к себе заряды противоположного знака, то есть положительные. Постепенно вблизи него будут накапливаться положительные заряды, в конце концов, он окажется как бы заэкранированным и его действие на остальные заряды вещества практически прекратится.
Нечто подобное происходит и с "голым" электроном. Веществом, которое его экранирует, являются как раз виртуальные частицы, которые неизбежно появляются при учете взаимодействия. Квантовая электродинамика позволяет оценить эффективность этой экранировки, и оказывается, что заряд экранируется бесконечно сильно! Поэтому неудивительно, что, приписав "голому" электрону конечный электрический заряд, мы приходим к выводу, что этот заряд полностью экранируется "шубой" реального электрона, который и должен наблюдаться на опыте. И получается неприятный результат - этот реальный электрон должен выглядеть как частица с нулевым электрическим зарядом!
Чтобы прорвать бесконечно сильную экранировку, разумеется, необходимо приписывать "голому" электрону бесконечно большой заряд, что, как мы уже видели, тоже неудовлетворительно.
Вот с такими трудностями пришлось столкнуться теоретикам при попытке проверить применимость квантовой электродинамики к описанию процессов в сколь угодно малых областях пространства. Эти трудности и заставили их искать новый подход к описанию взаимодействий на малых расстояниях.
Но, прежде чем было достигнуто такое понимание проблемы, теоретики успели проделать довольно большую работу по построению моделей слабых и сильных взаимодействий по образцу квантовой электродинамики.
Как вы помните, первой моделью слабых взаимодействий оказалась теория бета-распада, предложенная Э. Ферми. Согласно этой теории нейтрон трансформировался в протон, излучая пару: электрон и антинейтрино. Э. Ферми в значительной степени исходил из аналогии с квантовой электродинамикой, но в его теории место фотона как бы занимала пара, состоящая из лептона и антилептона. Впоследствии его идея была расширена и позволила описать все распады сравнительно долгоживущих частиц как проявление некоторого универсального слабого взаимодействия.
Характерной особенностью этой теории является следующее представление: четыре частицы - барионы или лептоны - непременно взаимодействуют в одной точке, то есть в непосредственном контакте друг с другом. С помощью такого представления можно описать и распады частиц, и их рассеяние. Скажем, отрицательно заряженный мюон способен распадаться на электрон и пару, состоящую из электронного антинейтрино и мюонного нейтрино. В данном случае взаимодействие выглядит как контакт четырех лептонов. Это же представление позволяет описать и другой процесс, например, столкновение мюона с электронным нейтрино. В результате этого столкновения должны образоваться электрон и мюонное нейтрино.
В случае бета-распада взаимодействие выглядит как контакт двух барионов и двух лептонов. И опять на основе этого же представления можно было описать другие типы процессов, например, рассеяние электронного нейтрино на нейтроне, в результате которого возникал протон и электрон.
Обратите внимание на то, что в обоих случаях описание рассеяния возникает четкая закономерность превращения заряженных частиц в незаряженные и наоборот. Заряженный мюон трансформируется в мюонное нейтрино, а электронное нейтрино - в электрон. Или нейтрон трансформируется в протон, а электронное нейтрино - опять-таки в электрон.
Такая же закономерность наблюдается и во всех остальных известных процессах слабого взаимодействия. Отсюда и родилась интересная гипотеза: а не осуществляется ли слабое взаимодействие за счет обмена особым квантом, который как бы переносит заряд при взаимной трансформации заряженных и нейтральных частиц.
Гипотетическая частица, которую называют дубль-вэ-мезоном, или дубль-вэ-бозоном, должна быть очень тяжелой - в несколько раз тяжелее протона - и нести положительный или отрицательный электрический заряд.
А как быть в том случае, когда слабое взаимодействие осуществляется без переноса какого-либо заряда, например, когда нейтрино упруго рассеивается па электроне? Такого типа события долгое время вообще не наблюдались, но недавно было установлено, что они все-таки происходят.
Механизм такого взаимодействия может быть обусловлен еще одной гипотетической частицей зэт-мезоном (или зэт-бозоном), не несущей электрического заряда.
Если гипотетические частицы дубль-вэ- и зэт-мезоны будут открыты, то картина слабых взаимодействий станет очень похожа на электродинамическую картину. Существенная разница между ними будет обусловлена лишь различными свойствами этих мезонов и фотон. Действительно, масса фотона равна нулю, из-за этого электромагнитные взаимодействия обладают бесконечным радиусом действия. Гипотетические же переносчики слабых взаимодействий должны иметь очень большие массы, и поэтому радиус действия слабых сил должен быть очень мал, по-видимому, не более 10-15 сантиметра. Кроме того, фотон нейтрален, а дубль-вэ-мезоны способны нести заряд.
То, что эти частицы еще не открыты, связывается обычно с большой величиной их массы. Пока слабые взаимодействия, которые в чистом виде можно исследовать только с помощью нейтринных пучков, изучались в недостаточно широком интервале энергий, и в будущем мы можем надеяться на открытие дубль-вэ- и зэт-частиц.
К сожалению, модели слабого взаимодействия с гипотетическими мезонами или без них оказались еще хуже того образца, по которому они строились. В этих моделях вообще нельзя было последовательно описать процессы с участием виртуальных частиц. И такое положение в теории слабых взаимодействий сохранялось до недавних пор.
По аналогии с квантовой электродинамикой пытались строить и теорию сильных взаимодействий. Как вы помните, первоначальная идея X. Юкавы состояла в том, что сильные взаимодействия осуществляются при испускании и поглощении пи-мезона. Пи-мезон должен был играть такую же роль, что и фотон в электродинамике. Впоследствии, после открытия ка-мезонов и резонансов, эта идея несколько расширилась, но оказалась все равно не слишком последовательной.
Беда в том, что интенсивность сильных взаимодействий примерно в 1000 раз больше, чем электромагнитных, то есть константа связи типа "альфа" в данном случае больше единицы. Из-за этого получалось так, что все неприятности, которые в электродинамике были спрятаны на фантастически малых расстояниях, теперь уже должны были проявиться на расстояниях, вполне доступных эксперименту.
Расчеты по "квантовой мезодинамике" - так называлась квантовая теория взаимодействия мезонов и нуклонов - не объясняли наблюдаемых закономерностей. С другой стороны, экспериментальные работы по физике сильных взаимодействий развивались в послевоенный период чрезвычайно быстро. Ведь именно сильные процессы наиболее удобны для наблюдений - у них очень высокая интенсивность, и подавляющее большинство событий, возникающих при падении пучка ускоренных протонов на мишень, как раз и происходит за счет сильных взаимодействий. Неуспех электродинамики в качестве эталона теорий породил стремление к созданию новых идей, неизвестных физике прошлого.
В начале 60-х годов некоторые физики выступили с весьма красивой и необычной программой "ядерной демократии". Пожалуй, наиболее активным сторонником этой программы оказался американский теоретик Дж. Чью, ученик Э. Ферми, сделавший очень много для ее развития и разъяснения основных ее путей.
А идеи эти были таковы. Среди адронов нет выделенных частиц; все они равноправны, неэлементарны и представляют собой просто различные состояния адронной материи.
В этом пункте идеи "демократии" наблюдаемых адронов полностью согласовывались с точкой зрения сторонников, скажем, кварковой модели, которые тоже считали адроны неэлементарными и равноправными. Но в дальнейшем пути расходились. Настоящая "ядерная демократия" отвергала всякие попытки представить адроны как различные "кварковые атомы".
Общая философия Дж. Чью и многих других физиков, разделявших его позиции, состояла в том, что эпоха безграничного атомизма кончилась, и гипотезы атомоподобного устройства адронов следует сдать в архив. Основной базой служил, разумеется, простой факт - раз никаких составляющих частей, субэлементарных частиц или кварков ни в одном из многочисленных опытов выделить не удалось, то имеет ли смысл в таком случае говорить об устройстве адронов из каких-то особых привилегированных частиц? Не проще ли считать, что адронная часть микромира основана на демократических принципах, то есть реальные адроны как бы сами устанавливают законы своего бытия?
В положительном ответе на этот вопрос и заключалась главная идея нового подхода к построению адронов. Они должны реализоваться в природе такими, как мы их наблюдаем, за счет определенных сил, обусловливающих их существование. Но так как эти силы, в свою очередь, проявляются в процессах рассеяния адронов, то переносчиками этих сил опять-таки являются сами адроны. Если на основе такого представления удалось бы правильно рассчитать все параметры адронов - массы, времена жизни - и правильно описать их поведение в различных реакциях, то, конечно, не потребовалось бы никаких дополнительных идей и теорий о внутренней их структуре, в частности о кварках.
Самое интересное состоит в том, что на ряде частных примеров теоретикам удалось показать, что существование отдельных частиц действительно взаимообусловлено. Такая процедура получила название бутстрэп (по-русски просто зашнуровка). Адроны как бы шнуровали друг друга, заставляя появляться нужные для собственного существования другие адроны именно с теми значениями масс, которые и наблюдались на опыте.
Очень важно, что в этом подходе унитарные симметрии получали естественное толкование. Отдельные группировки частиц (по 8 и по 10) оказывались опять-таки взаимосогласованными. Таким образом, симметрия возникала как определенное следствие характера сил, действующих между адронами. И никаких кварков для ее объяснения вроде бы и не требовалось.
Идеи "ядерной демократии" и зашнуровки сыграли весьма положительную роль, хотя и не привели к построению полной теории сильных взаимодействий.
Эти идеи столкнулись с трудностями и внешними и внутренними.
Внешние нарушали традицию, полностью отвергая методы квантовой теории поля. Поэтому заведомо в схему нового подхода нельзя было вписать ни фотон, ни лептоны.
Что же касается внутренних проблем этого подхода, то они как раз и привели к его постепенному отступлению. Дело в том, что свойства адронов нельзя вывести, только изучая закономерности реакций между ними при низких энергиях. Если же учитывать и закономерности реакций при высоких энергиях, то ситуация резко усложняется. Скажем, основную роль начинают играть процессы множественного рождения адронов, и тут приходится искать совершенно новые пути описания...
Но, конечно, решающей трудностью для программы всеобщей зашнуровки адронов оказались эксперименты по зондированию глубоких областей адрона. Партоны не были предусмотрены чисто "демократической" теорией. На ее основе было бы понятно, если бы адроны продолжали оставаться рыхлой облакообразной структурой вплоть до самых малых расстояний. В той картине устройства протона, которую мы обсуждали в предыдущем разделе, это соответствовало бы существованию одной-единственной внешней оболочки, которая заполнила бы собой весь объем протона!
Что делать, природа хитрей наших самых хитроумных проектов...
Однако в некоторых отношениях идеи "ядерной демократии" оказались, безусловно, полезны. Именно в борьбе с кварковой моделью сторонники нового подхода четко выяснили, что реальные кварки, если бы они были найдены, принесли бы теоретикам не только радость, но и множество трудностей. Они оказались бы опять-таки сложными адронами со всеми вытекающими отсюда последствиями. И снова возник бы вопрос: а из чего состоят кварки?
Это заставило сторонников кварковых моделей активно исследовать возможности запирания кварков - надо ведь как-то объяснить отсутствие их на опыте! И согласитесь, что протон как "кварковый атом" выглядит весьма необычно - вовсе не так, как его представляли себе во времена первых составных моделей. На структуру обычного знакомого нам атома, состоящего из ядра и вращающихся вокруг него электронов, эта картина похожа очень мало вроде бы атом, но вывернутый наизнанку...
В общем, если говорить о какой-то единой атомистической концепции, то приходится признать, что она испытала за последнее десятилетие стремительное развитие.
Быть может, допуская некоторое преувеличение, стоит отметить, что "атомарное" устройство протона примерно настолько же сложнее атома Бора, насколько атом Бора сложней атома Демокрита. Это замечание, конечно, не связано с определением какой-то строгой геометрической пропорции между сложностью конкретных физических моделей. Но оно могло бы вызвать такое недоумение - ведь Демокритов атом рассматривался еще в доньютоновскую эпоху, и его структура представлялась в чисто механических образах, причем законы механики еще не были как следует поняты, не были известны фундаментальные силы... Атом Бора как модель возник уже через двести лет после создания новой физики, когда были известны и законы механического движения, и закон Кулона для силы взаимодействия между электроном и ядром, причем законов обычной механики для описания атома оказалось недостаточно... Неужели кварковая структура протона вносит существенно новые моменты в современную теорию?
В том-то и дело, что вносит! И пока мы еще далеко не полно представляем себе всю новизну положения. Но два момента в этой ситуации уже можно четко отметить.
Во-первых, мы вынуждены вводить в рассмотрение особый класс реальных объектов: кварки-партоны. Эти объекты, как мы их понимаем в настоящее время, совершенно необычны и не имеют предшественников в физике. Они являются элементами структуры адронов, но не могут быть выделены в качестве отдельных частиц, подобно другим элементарным частицам. Можно ли их все-таки считать реальными объектами? Это, как вы помните по обсуждению реальности резонансов, в известном смысле вопрос договоренности. Ведь и резонансы в свое время мы считали чем-то менее фундаментальным, чем стабильные адроны и не очень-то спешили объявить их особым типом элементарных частиц.
Кварки-партоны не способны оставить макроскопический след в веществе, подобно протону или пи-мезону; они не приводят и к таким перераспределениям наблюдаемых следов, как известные резонансы. В этом смысле они ненаблюдаемы и вряд ли будут наблюдаться в будущих экспериментах.
Однако кварки-партоны можно "увидеть" с помощью частиц, обладающих только слабыми и электромагнитными взаимодействиями. Эти частицы - фотон, нейтрино, электрон, мюон - способны проникнуть сквозь внешние оболочки адрона и провзаимодействовать непосредственно с его "кварковым атомом". Более того, один адрон тоже способен "увидеть" структуру другого адрона при взаимодействии на малых расстояниях, когда валентные кварки непосредственно рассеиваются друг на друге.
В отличие от других частиц кварк-партон не должен иметь определенного значения массы - это в высшей степени нестабильное образование. Его масса может иметь совершенно произвольное, случайное значение, зависящее от условий, в которых он находится.
Это не столь уж и удивительно, если учесть, что только у абсолютно стабильных частиц масса определена абсолютно точно. У некоторых короткоживущих резонансов погрешность в определении массы достигает 10 и более процентов. По-видимому, в случае кварков-партонов мы имеем дело с объектами, у которых погрешность в определении массы практически достигает 100 процентов, и о какой-то одной определенной массе их говорить не имеет смысла. Единственные четко определенные величины, которые можно приписать кваркам-партонам, - различные заряды. В этом плане они как бы определены по одному свойству: иметь определенные электрический, барионный заряды, "странность" и "очарование".
Во-вторых, силы, действующие между кварками-партонами, весьма необычны. Они должны не убывать с ростом расстояния между ними, а, наоборот, возрастать. Такое представление противоречит привычным для нас понятиям о фундаментальных силах, которые известны уже давным-давно из теории тяготения и из электродинамики. Со школьных лет мы знаем, что закон Ньютона для тяготеющих масс и закон Кулона для взаимодействующих зарядов определяют силы, которые обратно пропорциональны квадрату расстояния между частицами. Еще быстрее убывают с ростом расстояния слабые и сильные взаимодействия между частицами, силы, открытые уже в нашем веке.
На малых расстояниях все эти силы чрезвычайно велики и становятся бесконечно интенсивными в пределе нулевых расстояний, то есть при непосредственном контакте точечных частиц.
Такое представление о характере фундаментальных сил стало своеобразным эталоном, и во многом благодаря успехам квантовой электродинамики. Но, как вы помните, сама квантовая электродинамика оказалась непригодной при исследовании процессов взаимодействия на малых расстояниях.
Поэтому физики стали активно искать новый эталон квантовой теории, который можно было бы использовать в таких условиях, когда электродинамика становится непригодной.
Еще в 1954 году американские теоретики Ч. Янг и Р. Миллс заинтересовались такой проблемой: что будет, если, скажем, изотопическая симметрия между протоном и нейтроном выполняется в каждой точке пространства и в каждый момент времени? Оказалось, что для соблюдения такой симметрии необходимо, чтобы существовало особое калибровочное поле, кванты которого и позволяют переносить взаимодействие между почти сохраняющимися зарядами изотопическими спинами. Это калибровочное поле играло для указанного заряда примерно ту же роль, что электромагнитное поле - для электрического заряда.
Общая идея состояла в том, что любому точно или приближенно сохраняющемуся квантовому числу можно сопоставить определенное калибровочное поле, подобно тому, как сохраняющемуся электрическому заряду можно сопоставить электромагнитное поле. В сущности, физики хотели устранить явное неравноправие в семействе сохраняющихся квантовых чисел - зарядов. Ведь электрический заряд выступает как бы в двух ролях одновременно - он, во-первых, сохраняется и, во-вторых, характеризует собой определенное взаимодействие. Не является ли электромагнитное поле простейшим частным случаем калибровочных полей и нельзя ли каждому сохраняющемуся квантовому числу придать дополнительную роль заряда, взаимодействующего со своим особым калибровочным полем?
Такие вопросы встали перед физиками. В процессе более чем 20-летнего исследования различных калибровочных полей они и столкнулись с интересным явлением. Оказалось, что калибровочные поля, обладающие высокой симметрией, во многом отличаются от электромагнитного поля.
Например, на очень малых расстояниях соответствующие заряды могут обращаться в нуль, а на конечных расстояниях иметь вполне конечное значение. Это прямо противоположная ситуация по сравнению с электродинамикой! Получается, что заряд не ослабевает из-за экранировки виртуальными частицами, а, напротив, усиливается благодаря такой экранировке. А на малых расстояниях взаимодействие между частицами вообще исчезает.
Столь необычайный результат связан с такими свойствами калибровочных полей с высокой симметрией, которые не могут возникать в простейшем их случае у электромагнитного поля. Оказалось, что кванты сложных калибровочных полей способны непосредственно взаимодействовать друг с другом, тогда как фотоны не могут участвовать в таком взаимодействии - обычный свет "не светится", то есть не порождает новые фотоны.
Калибровочные же кванты способны "светиться" -- они охотно порождают новые калибровочные кванты, и именно из-за такого дополнительного взаимодействия возникает необычная антиэкранировка точечного заряда.
Ясно, что такие замечательные свойства калибровочных полей немедленно привлекли внимание теоретиков, пытавшихся объяснить природу межкварковых сил. Кванты калибровочных полей - их и назвали глюонами - должны были сыграть роль удивительного клея, который позволяет кваркам чувствовать себя совершенно свободно внутри адрона, но не отпускает их далеко друг от друга. Теория взаимодействия всех цветных кварков и глюонов получила название квантовая хромодинамика (по-русски - цветодинамика). Она созвучна квантовой электродинамике, пожалуй, только по названию, поскольку свойства глюонов намного сложней, чем свойства фотонов.
Так сформулировалась современная картина строения адронов.
Эта чрезвычайно важная физическая величина часто называется константой связи электромагнитных взаимодействий.
Тот факт, что она мала по сравнению с единицей, значительно облегчает все расчеты в квантовой электродинамике и упрощает конкретные модели тех или иных процессов. Благодаря малости константы связи теоретикам удалось построить хорошие методы расчета различных наблюдаемых характеристик электромагнитных взаимодействий, и их результаты на сегодняшний день превосходно согласуются с экспериментальными данными.
Казалось бы, если есть такое согласование, то все хорошо. Но теоретики на этом не остановились - они решили проверить, сохранится ли столь приятная картина и в дальнейшем, то есть при переходе к сколь угодно малым расстояниям, на которых происходит взаимодействие. Исследуя эту проблему, советские физики Л. Ландау, И. Померанчук и другие пришли к неутешительному выводу, что квантовая электродинамика в ее современной форме вообще неприменима к описанию процессов, происходящих с участием бесструктурных точечных электронов на очень малых расстояниях. Конкретно их результаты сводились к весьма парадоксальному положению: при попытке описать поведение зарядов и квантов электромагнитного поля в очень малых областях пространства оказывалось, что взаимодействие на больших расстояниях... исчезает!
Конечно же, этот факт противоречит известным результатам наблюдений и должен рассматриваться как своеобразный способ доказательства "от противного", доказательства того, что электродинамика не является полностью удовлетворительной теорией и должна быть существенно изменена для описания процессов при очень высоких энергиях и на очень малых расстояниях. В чем же суть полученных противоречий?
А в том, что представления электродинамики требуют рассмотрения особого типа объектов - виртуальных частиц.
Виртуальные частицы обычно имеют те же названия, что и реальные, скажем, фотоны или электроны, но обладают одним важным свойством, отличающим их от реальных частиц, - они испускаются и поглощаются непосредственно в микроскопически малой области взаимодействия и никогда не вылетают наружу и не регистрируются макроскопическими приборами. Скажем, электрон в процессе движения может как бы взаимодействовать сам с собой, испуская и тут же поглощая фотоны. В свою очередь, фотон может превратиться в пару, состоящую из электрона и позитрона, которые сразу же, вслед за образованием, снова аннигилируют, превращаясь в фотон.
Благодаря этим процессам реальный электрон должен непрерывно излучать и поглощать фотоны - он словно одевается в своеобразную "шубу" из виртуальных фотонов и электрон-позитронных пар. Чем глубже мы пытаемся проникнуть к центру электрона, тем более плотной становится его "шуба". На достаточно больших расстояниях электрон выглядит как точечный объект, несущий определенный электрический заряд. Но когда мы попытаемся узнать заряд "голого" электрона, без всякой "шубы" из виртуальных частиц, то есть настоящего точечного электрона, то окажется, что этот заряд бесконечно большой.
Такое положение крайне неудовлетворительно. Ведь физика всегда имела дело с зарядами, обладающими конечными - пусть очень большими, но конечными - значениями. А тут получается совершенно неприемлемое бесконечное значение. Можно ли избежать этой неприятности?
Оказывается, можно, но весьма дорогой ценой. Можно просто считать, что электрический заряд "голого" электрона, для которого как бы не существует взаимодействия с фотонами, имеет конечное значение. Но тогда неизбежно получается, что заряд реального электрона вообще должен быть равен нулю и тогда он не сумеет взаимодействовать с фотонами и другими зарядами. Такая картина формально допустима, но она противоречит известному факту - реальные электроны все-таки имеют заряды.
Итак, в любом случае - конечен заряд "голого" точечного электрона или бесконечен - мы приходим к неприемлемой картине.
Несмотря на довольно сложный характер теории, причина всех трудностей довольно проста и наглядна.
Обсудим следующий пример. Пусть в вещество, где существует равное количество положительных и отрицательных зарядов, вводится новый, скажем для определенности, отрицательный заряд. При этом равновесие между различными зарядами вещества, конечно, нарушится. Новый заряд начнет притягивать к себе заряды противоположного знака, то есть положительные. Постепенно вблизи него будут накапливаться положительные заряды, в конце концов, он окажется как бы заэкранированным и его действие на остальные заряды вещества практически прекратится.
Нечто подобное происходит и с "голым" электроном. Веществом, которое его экранирует, являются как раз виртуальные частицы, которые неизбежно появляются при учете взаимодействия. Квантовая электродинамика позволяет оценить эффективность этой экранировки, и оказывается, что заряд экранируется бесконечно сильно! Поэтому неудивительно, что, приписав "голому" электрону конечный электрический заряд, мы приходим к выводу, что этот заряд полностью экранируется "шубой" реального электрона, который и должен наблюдаться на опыте. И получается неприятный результат - этот реальный электрон должен выглядеть как частица с нулевым электрическим зарядом!
Чтобы прорвать бесконечно сильную экранировку, разумеется, необходимо приписывать "голому" электрону бесконечно большой заряд, что, как мы уже видели, тоже неудовлетворительно.
Вот с такими трудностями пришлось столкнуться теоретикам при попытке проверить применимость квантовой электродинамики к описанию процессов в сколь угодно малых областях пространства. Эти трудности и заставили их искать новый подход к описанию взаимодействий на малых расстояниях.
Но, прежде чем было достигнуто такое понимание проблемы, теоретики успели проделать довольно большую работу по построению моделей слабых и сильных взаимодействий по образцу квантовой электродинамики.
Как вы помните, первой моделью слабых взаимодействий оказалась теория бета-распада, предложенная Э. Ферми. Согласно этой теории нейтрон трансформировался в протон, излучая пару: электрон и антинейтрино. Э. Ферми в значительной степени исходил из аналогии с квантовой электродинамикой, но в его теории место фотона как бы занимала пара, состоящая из лептона и антилептона. Впоследствии его идея была расширена и позволила описать все распады сравнительно долгоживущих частиц как проявление некоторого универсального слабого взаимодействия.
Характерной особенностью этой теории является следующее представление: четыре частицы - барионы или лептоны - непременно взаимодействуют в одной точке, то есть в непосредственном контакте друг с другом. С помощью такого представления можно описать и распады частиц, и их рассеяние. Скажем, отрицательно заряженный мюон способен распадаться на электрон и пару, состоящую из электронного антинейтрино и мюонного нейтрино. В данном случае взаимодействие выглядит как контакт четырех лептонов. Это же представление позволяет описать и другой процесс, например, столкновение мюона с электронным нейтрино. В результате этого столкновения должны образоваться электрон и мюонное нейтрино.
В случае бета-распада взаимодействие выглядит как контакт двух барионов и двух лептонов. И опять на основе этого же представления можно было описать другие типы процессов, например, рассеяние электронного нейтрино на нейтроне, в результате которого возникал протон и электрон.
Обратите внимание на то, что в обоих случаях описание рассеяния возникает четкая закономерность превращения заряженных частиц в незаряженные и наоборот. Заряженный мюон трансформируется в мюонное нейтрино, а электронное нейтрино - в электрон. Или нейтрон трансформируется в протон, а электронное нейтрино - опять-таки в электрон.
Такая же закономерность наблюдается и во всех остальных известных процессах слабого взаимодействия. Отсюда и родилась интересная гипотеза: а не осуществляется ли слабое взаимодействие за счет обмена особым квантом, который как бы переносит заряд при взаимной трансформации заряженных и нейтральных частиц.
Гипотетическая частица, которую называют дубль-вэ-мезоном, или дубль-вэ-бозоном, должна быть очень тяжелой - в несколько раз тяжелее протона - и нести положительный или отрицательный электрический заряд.
А как быть в том случае, когда слабое взаимодействие осуществляется без переноса какого-либо заряда, например, когда нейтрино упруго рассеивается па электроне? Такого типа события долгое время вообще не наблюдались, но недавно было установлено, что они все-таки происходят.
Механизм такого взаимодействия может быть обусловлен еще одной гипотетической частицей зэт-мезоном (или зэт-бозоном), не несущей электрического заряда.
Если гипотетические частицы дубль-вэ- и зэт-мезоны будут открыты, то картина слабых взаимодействий станет очень похожа на электродинамическую картину. Существенная разница между ними будет обусловлена лишь различными свойствами этих мезонов и фотон. Действительно, масса фотона равна нулю, из-за этого электромагнитные взаимодействия обладают бесконечным радиусом действия. Гипотетические же переносчики слабых взаимодействий должны иметь очень большие массы, и поэтому радиус действия слабых сил должен быть очень мал, по-видимому, не более 10-15 сантиметра. Кроме того, фотон нейтрален, а дубль-вэ-мезоны способны нести заряд.
То, что эти частицы еще не открыты, связывается обычно с большой величиной их массы. Пока слабые взаимодействия, которые в чистом виде можно исследовать только с помощью нейтринных пучков, изучались в недостаточно широком интервале энергий, и в будущем мы можем надеяться на открытие дубль-вэ- и зэт-частиц.
К сожалению, модели слабого взаимодействия с гипотетическими мезонами или без них оказались еще хуже того образца, по которому они строились. В этих моделях вообще нельзя было последовательно описать процессы с участием виртуальных частиц. И такое положение в теории слабых взаимодействий сохранялось до недавних пор.
По аналогии с квантовой электродинамикой пытались строить и теорию сильных взаимодействий. Как вы помните, первоначальная идея X. Юкавы состояла в том, что сильные взаимодействия осуществляются при испускании и поглощении пи-мезона. Пи-мезон должен был играть такую же роль, что и фотон в электродинамике. Впоследствии, после открытия ка-мезонов и резонансов, эта идея несколько расширилась, но оказалась все равно не слишком последовательной.
Беда в том, что интенсивность сильных взаимодействий примерно в 1000 раз больше, чем электромагнитных, то есть константа связи типа "альфа" в данном случае больше единицы. Из-за этого получалось так, что все неприятности, которые в электродинамике были спрятаны на фантастически малых расстояниях, теперь уже должны были проявиться на расстояниях, вполне доступных эксперименту.
Расчеты по "квантовой мезодинамике" - так называлась квантовая теория взаимодействия мезонов и нуклонов - не объясняли наблюдаемых закономерностей. С другой стороны, экспериментальные работы по физике сильных взаимодействий развивались в послевоенный период чрезвычайно быстро. Ведь именно сильные процессы наиболее удобны для наблюдений - у них очень высокая интенсивность, и подавляющее большинство событий, возникающих при падении пучка ускоренных протонов на мишень, как раз и происходит за счет сильных взаимодействий. Неуспех электродинамики в качестве эталона теорий породил стремление к созданию новых идей, неизвестных физике прошлого.
В начале 60-х годов некоторые физики выступили с весьма красивой и необычной программой "ядерной демократии". Пожалуй, наиболее активным сторонником этой программы оказался американский теоретик Дж. Чью, ученик Э. Ферми, сделавший очень много для ее развития и разъяснения основных ее путей.
А идеи эти были таковы. Среди адронов нет выделенных частиц; все они равноправны, неэлементарны и представляют собой просто различные состояния адронной материи.
В этом пункте идеи "демократии" наблюдаемых адронов полностью согласовывались с точкой зрения сторонников, скажем, кварковой модели, которые тоже считали адроны неэлементарными и равноправными. Но в дальнейшем пути расходились. Настоящая "ядерная демократия" отвергала всякие попытки представить адроны как различные "кварковые атомы".
Общая философия Дж. Чью и многих других физиков, разделявших его позиции, состояла в том, что эпоха безграничного атомизма кончилась, и гипотезы атомоподобного устройства адронов следует сдать в архив. Основной базой служил, разумеется, простой факт - раз никаких составляющих частей, субэлементарных частиц или кварков ни в одном из многочисленных опытов выделить не удалось, то имеет ли смысл в таком случае говорить об устройстве адронов из каких-то особых привилегированных частиц? Не проще ли считать, что адронная часть микромира основана на демократических принципах, то есть реальные адроны как бы сами устанавливают законы своего бытия?
В положительном ответе на этот вопрос и заключалась главная идея нового подхода к построению адронов. Они должны реализоваться в природе такими, как мы их наблюдаем, за счет определенных сил, обусловливающих их существование. Но так как эти силы, в свою очередь, проявляются в процессах рассеяния адронов, то переносчиками этих сил опять-таки являются сами адроны. Если на основе такого представления удалось бы правильно рассчитать все параметры адронов - массы, времена жизни - и правильно описать их поведение в различных реакциях, то, конечно, не потребовалось бы никаких дополнительных идей и теорий о внутренней их структуре, в частности о кварках.
Самое интересное состоит в том, что на ряде частных примеров теоретикам удалось показать, что существование отдельных частиц действительно взаимообусловлено. Такая процедура получила название бутстрэп (по-русски просто зашнуровка). Адроны как бы шнуровали друг друга, заставляя появляться нужные для собственного существования другие адроны именно с теми значениями масс, которые и наблюдались на опыте.
Очень важно, что в этом подходе унитарные симметрии получали естественное толкование. Отдельные группировки частиц (по 8 и по 10) оказывались опять-таки взаимосогласованными. Таким образом, симметрия возникала как определенное следствие характера сил, действующих между адронами. И никаких кварков для ее объяснения вроде бы и не требовалось.
Идеи "ядерной демократии" и зашнуровки сыграли весьма положительную роль, хотя и не привели к построению полной теории сильных взаимодействий.
Эти идеи столкнулись с трудностями и внешними и внутренними.
Внешние нарушали традицию, полностью отвергая методы квантовой теории поля. Поэтому заведомо в схему нового подхода нельзя было вписать ни фотон, ни лептоны.
Что же касается внутренних проблем этого подхода, то они как раз и привели к его постепенному отступлению. Дело в том, что свойства адронов нельзя вывести, только изучая закономерности реакций между ними при низких энергиях. Если же учитывать и закономерности реакций при высоких энергиях, то ситуация резко усложняется. Скажем, основную роль начинают играть процессы множественного рождения адронов, и тут приходится искать совершенно новые пути описания...
Но, конечно, решающей трудностью для программы всеобщей зашнуровки адронов оказались эксперименты по зондированию глубоких областей адрона. Партоны не были предусмотрены чисто "демократической" теорией. На ее основе было бы понятно, если бы адроны продолжали оставаться рыхлой облакообразной структурой вплоть до самых малых расстояний. В той картине устройства протона, которую мы обсуждали в предыдущем разделе, это соответствовало бы существованию одной-единственной внешней оболочки, которая заполнила бы собой весь объем протона!
Что делать, природа хитрей наших самых хитроумных проектов...
Однако в некоторых отношениях идеи "ядерной демократии" оказались, безусловно, полезны. Именно в борьбе с кварковой моделью сторонники нового подхода четко выяснили, что реальные кварки, если бы они были найдены, принесли бы теоретикам не только радость, но и множество трудностей. Они оказались бы опять-таки сложными адронами со всеми вытекающими отсюда последствиями. И снова возник бы вопрос: а из чего состоят кварки?
Это заставило сторонников кварковых моделей активно исследовать возможности запирания кварков - надо ведь как-то объяснить отсутствие их на опыте! И согласитесь, что протон как "кварковый атом" выглядит весьма необычно - вовсе не так, как его представляли себе во времена первых составных моделей. На структуру обычного знакомого нам атома, состоящего из ядра и вращающихся вокруг него электронов, эта картина похожа очень мало вроде бы атом, но вывернутый наизнанку...
В общем, если говорить о какой-то единой атомистической концепции, то приходится признать, что она испытала за последнее десятилетие стремительное развитие.
Быть может, допуская некоторое преувеличение, стоит отметить, что "атомарное" устройство протона примерно настолько же сложнее атома Бора, насколько атом Бора сложней атома Демокрита. Это замечание, конечно, не связано с определением какой-то строгой геометрической пропорции между сложностью конкретных физических моделей. Но оно могло бы вызвать такое недоумение - ведь Демокритов атом рассматривался еще в доньютоновскую эпоху, и его структура представлялась в чисто механических образах, причем законы механики еще не были как следует поняты, не были известны фундаментальные силы... Атом Бора как модель возник уже через двести лет после создания новой физики, когда были известны и законы механического движения, и закон Кулона для силы взаимодействия между электроном и ядром, причем законов обычной механики для описания атома оказалось недостаточно... Неужели кварковая структура протона вносит существенно новые моменты в современную теорию?
В том-то и дело, что вносит! И пока мы еще далеко не полно представляем себе всю новизну положения. Но два момента в этой ситуации уже можно четко отметить.
Во-первых, мы вынуждены вводить в рассмотрение особый класс реальных объектов: кварки-партоны. Эти объекты, как мы их понимаем в настоящее время, совершенно необычны и не имеют предшественников в физике. Они являются элементами структуры адронов, но не могут быть выделены в качестве отдельных частиц, подобно другим элементарным частицам. Можно ли их все-таки считать реальными объектами? Это, как вы помните по обсуждению реальности резонансов, в известном смысле вопрос договоренности. Ведь и резонансы в свое время мы считали чем-то менее фундаментальным, чем стабильные адроны и не очень-то спешили объявить их особым типом элементарных частиц.
Кварки-партоны не способны оставить макроскопический след в веществе, подобно протону или пи-мезону; они не приводят и к таким перераспределениям наблюдаемых следов, как известные резонансы. В этом смысле они ненаблюдаемы и вряд ли будут наблюдаться в будущих экспериментах.
Однако кварки-партоны можно "увидеть" с помощью частиц, обладающих только слабыми и электромагнитными взаимодействиями. Эти частицы - фотон, нейтрино, электрон, мюон - способны проникнуть сквозь внешние оболочки адрона и провзаимодействовать непосредственно с его "кварковым атомом". Более того, один адрон тоже способен "увидеть" структуру другого адрона при взаимодействии на малых расстояниях, когда валентные кварки непосредственно рассеиваются друг на друге.
В отличие от других частиц кварк-партон не должен иметь определенного значения массы - это в высшей степени нестабильное образование. Его масса может иметь совершенно произвольное, случайное значение, зависящее от условий, в которых он находится.
Это не столь уж и удивительно, если учесть, что только у абсолютно стабильных частиц масса определена абсолютно точно. У некоторых короткоживущих резонансов погрешность в определении массы достигает 10 и более процентов. По-видимому, в случае кварков-партонов мы имеем дело с объектами, у которых погрешность в определении массы практически достигает 100 процентов, и о какой-то одной определенной массе их говорить не имеет смысла. Единственные четко определенные величины, которые можно приписать кваркам-партонам, - различные заряды. В этом плане они как бы определены по одному свойству: иметь определенные электрический, барионный заряды, "странность" и "очарование".
Во-вторых, силы, действующие между кварками-партонами, весьма необычны. Они должны не убывать с ростом расстояния между ними, а, наоборот, возрастать. Такое представление противоречит привычным для нас понятиям о фундаментальных силах, которые известны уже давным-давно из теории тяготения и из электродинамики. Со школьных лет мы знаем, что закон Ньютона для тяготеющих масс и закон Кулона для взаимодействующих зарядов определяют силы, которые обратно пропорциональны квадрату расстояния между частицами. Еще быстрее убывают с ростом расстояния слабые и сильные взаимодействия между частицами, силы, открытые уже в нашем веке.
На малых расстояниях все эти силы чрезвычайно велики и становятся бесконечно интенсивными в пределе нулевых расстояний, то есть при непосредственном контакте точечных частиц.
Такое представление о характере фундаментальных сил стало своеобразным эталоном, и во многом благодаря успехам квантовой электродинамики. Но, как вы помните, сама квантовая электродинамика оказалась непригодной при исследовании процессов взаимодействия на малых расстояниях.
Поэтому физики стали активно искать новый эталон квантовой теории, который можно было бы использовать в таких условиях, когда электродинамика становится непригодной.
Еще в 1954 году американские теоретики Ч. Янг и Р. Миллс заинтересовались такой проблемой: что будет, если, скажем, изотопическая симметрия между протоном и нейтроном выполняется в каждой точке пространства и в каждый момент времени? Оказалось, что для соблюдения такой симметрии необходимо, чтобы существовало особое калибровочное поле, кванты которого и позволяют переносить взаимодействие между почти сохраняющимися зарядами изотопическими спинами. Это калибровочное поле играло для указанного заряда примерно ту же роль, что электромагнитное поле - для электрического заряда.
Общая идея состояла в том, что любому точно или приближенно сохраняющемуся квантовому числу можно сопоставить определенное калибровочное поле, подобно тому, как сохраняющемуся электрическому заряду можно сопоставить электромагнитное поле. В сущности, физики хотели устранить явное неравноправие в семействе сохраняющихся квантовых чисел - зарядов. Ведь электрический заряд выступает как бы в двух ролях одновременно - он, во-первых, сохраняется и, во-вторых, характеризует собой определенное взаимодействие. Не является ли электромагнитное поле простейшим частным случаем калибровочных полей и нельзя ли каждому сохраняющемуся квантовому числу придать дополнительную роль заряда, взаимодействующего со своим особым калибровочным полем?
Такие вопросы встали перед физиками. В процессе более чем 20-летнего исследования различных калибровочных полей они и столкнулись с интересным явлением. Оказалось, что калибровочные поля, обладающие высокой симметрией, во многом отличаются от электромагнитного поля.
Например, на очень малых расстояниях соответствующие заряды могут обращаться в нуль, а на конечных расстояниях иметь вполне конечное значение. Это прямо противоположная ситуация по сравнению с электродинамикой! Получается, что заряд не ослабевает из-за экранировки виртуальными частицами, а, напротив, усиливается благодаря такой экранировке. А на малых расстояниях взаимодействие между частицами вообще исчезает.
Столь необычайный результат связан с такими свойствами калибровочных полей с высокой симметрией, которые не могут возникать в простейшем их случае у электромагнитного поля. Оказалось, что кванты сложных калибровочных полей способны непосредственно взаимодействовать друг с другом, тогда как фотоны не могут участвовать в таком взаимодействии - обычный свет "не светится", то есть не порождает новые фотоны.
Калибровочные же кванты способны "светиться" -- они охотно порождают новые калибровочные кванты, и именно из-за такого дополнительного взаимодействия возникает необычная антиэкранировка точечного заряда.
Ясно, что такие замечательные свойства калибровочных полей немедленно привлекли внимание теоретиков, пытавшихся объяснить природу межкварковых сил. Кванты калибровочных полей - их и назвали глюонами - должны были сыграть роль удивительного клея, который позволяет кваркам чувствовать себя совершенно свободно внутри адрона, но не отпускает их далеко друг от друга. Теория взаимодействия всех цветных кварков и глюонов получила название квантовая хромодинамика (по-русски - цветодинамика). Она созвучна квантовой электродинамике, пожалуй, только по названию, поскольку свойства глюонов намного сложней, чем свойства фотонов.
Так сформулировалась современная картина строения адронов.