Страница:
Среди ВЦ может находиться немалое число цивилизаций в такой интровертивной ("направленной на себя") фазе, и их усилия в смысле активного поиска партнеров могут быть крайне скромны. Они будут находить ничуть не меньшее удовольствие в расширении своего кругозора с помощью самоусложнения, чем мы в познании, основанном на захвате все новых космических рубежей. И можно думать, их экологический баланс окажется завидным во многих отношениях.
Но со временем их экологическая ситуация может измениться и истощение источников потребует выхода в экстравертивную ("направленную вовне") фазу. Последует более или менее обширная экспансия - в масштабах небольшой звездной системы или Галактики.
Мне кажется, что реальное развитие цивилизаций хотя бы очень усредненно можно представить колебательной сменой таких интровертивных и экстравертивных режимов. Эта картина неплохо подтверждается историческим материалом*, но, разумеется, в космических масштабах ситуация должна приобрести качественно новые черты.
* Исторический анализ довольно сложен и требует четкой фиксации пространственных (вся планета, континент, страна) и временных (тысячелетие, век, десятилетие) масштабов. Скажем, резкое нарастание экстравертивного режима характеризует поведение европейских цивилизаций 2-й половины завершающегося тысячелетия в планетарном масштабе.
9. Что служит минимальным вступительным взносом в Космический Клуб? Может показаться, что взнос с очевидностью сводится к созданию технических систем, способных зарегистрировать сигнал внеземной цивилизации. Это, бесспорно, важно, но узнать о Клубе - еще не значит вступить в него. Подтверждение полученного сигнала - тоже важнейший момент, но понятно, что Контакт включает в себя и много иных операций.
Вступительный взнос в данном случае - процесс, процесс осознания себя космически значимым фактором. Осознавая себя в этой роли, мы заведомо повышаем шансы на Контакт.
Надо ясно представлять, что речь идет об очень длительном процессе, и до вступления в Космический Клуб земная цивилизация может совершить несколько переходов между интровертивной и экстравертивной фазами и неузнаваемо изменить облик своих биосоциальных структур. Сделать такой процесс хотя бы частично управляемым, сознательно генерируя новые основные структуры цивилизации,- это тоже важнейший вклад в решение проблемы Контакта. Быть может, минимальный взнос (именно наш - современного человечества) как раз и заключается в создании нового уровня разума, способного воспринять и расшифровать внеземные сигналы,- в каком-то смысле того суперприбора, который откроет нашим потомкам спектр космических цивилизаций. Скорее всего, человечество обречено на решение этой задачи, хотя бы потому, что только в ее масштабе мы сумеем воспринять себя общностью, погасить угрожающие внутренние разногласия перед лицом включения в единую систему разумной Вселенной.
10. Перспектива Контакта - одна из немногих, если не единственная возможность сформулировать общую цель человечества. Выживание в условиях растущего материального благосостояния само по себе не может составить объединяющей цели, оно несколько по-разному понимается отдельными социальными группами, а главное - не вводит иных масштабов, не дает шансов посмотреть на себя как бы со стороны. Поэтому я не уверен, что оно могло бы составить самостоятельную программу без явного выделения крупномасштабных эволюционных перспектив.
Международные проекты, связанные с Контактом - особенно с активными его вариантами, должны сыграть решающую роль не только в успешной будущей эволюции, но и в самом выживании нашей цивилизации. Их последствия нельзя планировать узко, скажем, как блокирование вывода оружия в космическое пространство. Это тоже очень важно, но, к сожалению, далеко не все.
Реально маховики военно-промышленного комплекса имеют огромную инерцию, и остановить их простой демонстрацией кошмарных последствий тотальной войны невозможно. Эти кошмары, в сущности, планируются, ради них и крутятся означенные маховики. Стоит подумать, однако, куда следовало бы направить запасенную ими гигантскую энергию, в какую форму ее преобразовать. Не послужат ли проекты Контакта, способные открыть поле для гораздо более полезной и дерзновенной деятельности, именно нужной формой?
Это технический образ - не более. Но если говорить вполне серьезно, следует ясно представлять, что военно-промышленный комплекс - мощнейший социальный организм внутри каждого развитого государства, обладающий огромной реальной силой, и картинки его мгновенной ликвидации прозревшими согражданами в высшей степени иллюзорны. "Убийство" системы, оттягивающей порядка 10 % совокупного национального дохода планеты, вряд ли не покажется вариантом волшебной сказки о злом драконе и смелом королевиче. Проблема в том, чтобы заставить эту систему эволюционизировать в нужном направлении с учетом того, что она развивалась на протяжении тысячелетий как важнейший атрибут экстравертивных обществ. Возможно, это самая актуальная из автоэволюционных задач человечества, и от ее решения будет зависеть наше проникновение в класс цивилизаций С.
Международный Космический Комитет, который можно было бы создать в рамках ООН или на основе особого межправительственного статуса, пользующийся правом полного контроля космических программ, сумел бы проделать немалую работу по указанной эволюции. Речь идет о систематической перекачке средств из национальных военных бюджетов в глобальные космические и биологические программы. Начав с малого, скажем, с 1 % совокупного военного бюджета, следовало бы постепенно расширять программы, доводя их объем до 10 % национального дохода (или другого, более разумного уровня). Главное здесь - сугубо эволюционная постепенность, которая позволила бы сменить за несколько десятилетий ориентацию огромной части промышленного потенциала сравнительно безболезненным образом. Практически все области разработок, ведущихся ныне в рамках военных программ, нашли бы свое разумное продолжение в новой ситуации и превратились бы из угрожающих монстров в нечто в высшей степени полезное.
Я назвал бы такое решение истинной заявкой в Космический Клуб. Иные решения, не предусматривающие эволюции военно-промышленных комплексов в системы, отвечающие более естественным общечеловеческим целям, скорее всего, послужат заявкой в пещеры или в полное небытие. Наше будущее пока еще в наших руках, и хочется верить, что мы не отгородимся от него кольцом мегатонных ядерных взрывов, а попытаемся выйти к горизонтам прекрасной и загадочной разумной Вселенной.
* * *
Прогнозы всегда требуют указания сколь-нибудь определенных сроков исполнения. В данном случае не проводилось работы по экстраполяции конкретных графиков развития той или иной области техники, и я не пытался попасть пальцем в небо, указывая точную дату научных открытии типа создания эвромата или получения сигнала ВЦ. Это скорее попытка целостного прогноза по совокупности параметров, которые в данный момент кажутся наиболее важными.
Практически все 10 пунктов основаны на решении общей для человечества проблемы преодоления надвигающегося социально-экологического кризиса. По-моему, выйдя из его круговоротов, мы сумеем совершенно по-новому взглянуть на Вселенную, и понятия, связанные с Контактом, станут для нас чем-то естественным и близким, даже в том случае, если ни одного сигнала ВЦ до тех пор принято не будет. Проделать же этот путь придется не более чем за 100 или 200 лет, причем первый срок кажется более правдоподобным (если не завышенным!). На эту длительность и рассчитаны приведенные прогнозы. Некоторые из них - прежде всего предотвращение глобальной бойни за счет эволюции военных систем - должны сбыться еще в текущем веке. Наша планета подобна лодке в открытом океане, и нельзя допустить, чтобы некоторые гребцы настойчиво долбили дно. Для их энтузиазма стоило бы подыскать иную форму пусть, например, до боли в глазах ищут берег или другие лодки. Если и не сразу найдут, то, по крайней мере, поймут, что океан - не место для их прежних занятий*.
* Есть такой лирико-космический образ: человек стал человеком, распрямившись и взглянув на звезды. Мне всегда казалось, что здесь сказано полправды, а другая ее половина в том, что до того он любовался совершенными линиями своей дубины...
Прогнозы типа создания нового вида, конечно, более отдалены, однако реальное начало соответствующему процессу может быть положено уже в 21 веке. Преодоление этого рубежа будет сопряжено с величайшим переворотом в человеческой морали. Мы впервые ощутим себя не только промежуточным звеном между своими родителями и своими детьми, но и элементом огромной эволюционной цепочки, начало которой теряется в густом пока тумане первых мгновений после Первовзрыва, а предел обусловлен лишь нашими способностями футуровидения. Впервые придется не только с царским благодушием взирать на эволюционное подножие своего трона, где копошатся забавные обезьянки и потрясают примитивными копьями всевозможные антропы, но и бросить взгляд вверх, где делают первые шаги существа, несущие в себе наше далекое будущее.
Не думаю, что вступление во вселенское гражданство будет слишком идиллическим - среди взглядов, брошенных вверх, наверняка найдутся исполненные черной зависти, и многое в дальнейшем движении окажется крайне трудным. Предрассудки не раз еще станут подталкивать нас к катастрофам невообразимого масштаба. Но в их преодолении и будет рождаться новый человек в новой общности с себе подобными и с коллегами по Космическому Клубу - тот, кому предстоит заново открыть Вселенную.
П p и л о ж e н и e 1
НЕКОТОРЫЕ КОНСТАНТЫ, ПАРАМЕТРЫ И ЕДИНИЦЫ*
*В скобках указаны погрешности в определении фундаментальных констант, например, G = 6,6720(41) = 6,6720 +- 0,0041. Данные по фундаментальным константам соответствуют публикациям 1990 года.
1. ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ
Постоянная Планка: h = h/2? = 1,05457266(63).10-34 Дж.c
Скорость света: c = 2,99792458.108 м/с
Гравитационная постоянная: G = 6,67259(85).10-11 м3/кгс2
Заряд электрона: e = 1,60217733(49).10-19 Кулон
Постоянная Больцмана: k = 1,3806513(25).10-23Дж/К
Масса электрона: me = 9,1093897(54).10-31 кг =
=0,51099906(15) МэВ
Масса протона: mp = 1836,152701(37)me =
=938,27231 (28) МэВ ?1,673.10-27 кг
Масса нейтрона: mn = 939,56563(28) МэВ ?1,675.10-27 кг
Комптоновский радиус электрона: (e = h /meс = 3,86159323(35).10-13 м
Боровский радиус атома водорода: a?B= h2/mee2 =
=0,529177249(24).10-10 м
2. АСТРОНОМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
Масса Земли: М( =5,977(4).1024 кг
Средний радиус Земли: R( ? 6371 км, (rэкватор = 6378,16 км;
rполюс = 6356,78 км)
Ускорение свободного падения g= 9,80665 м/с2
на поверхности Земли: (45° широты, на уровне моря)
Масса Солнца: М( = 1,9892(25).1030 кг ? 2.1030 кг
Средний радиус Солнца: R( = 6,9599(7).108 м ? 7.105 км
Гравитационный радиус Солнца: Rg(= 2GM(/c2 ? 2,95 км (гравитационные радиусы других звезд удобно вычислять по приближенной формуле Rg ? 3(M/M())
Светимость Солнца: L( = 3,826(8).1026 Ватт
Видимая звездная величина Солнца: m?( = -26,77
Абсолютная звездная величина Солнца: M?( = 4,79
Масса Галактики: Мгал ?1,5.1011 М(
Радиус Галактики: Rгал ? 2.104 пс
Радиус ядра Галактики: Rядра ?10 пс
3. ЕДИНИЦЫ ВРЕМЕНИ, РАССТОЯНИЙ И ЭНЕРГИИ
Характерное космологическое время: T = 1/H = 1,96 .1010 лет
(при значении функции Хаббла Н = 50 км/сМпс)
Сидерический год: 1 год = 3,1558.107 с ? ?.107 с
Галактический год для Солнца: 1 гал. год ? 2,75.108 лет
Астрономическая единица: 1 а.е. = 1,4959787066(2).1011 м ? 1,5.108 км
(среднее расстояние между Землей и Солнцем)
Световой год: 1 св. г. = 9,46.1015 м ? 6,324.104 а.е. = 0,3066 пс
Парсек: 1 пс = 3,0856775806.1016 м ? 3,2616 св. г. ? 2,06.105 а.е.
Ангстрем: 1 A = 10-10 м
Электронвольт: 1 эВ = 1,60217733(49).10-19 Дж
Джоуль (единица энергии в СИ): 1 Дж = 107 эрг ? 6,24.1018 эВ
Ватт (единица мощности в СИ): 1Вт = 1 Дж/с = 107эрг/с
4. ПРИСТАВКИ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОИЗВОДНЫХ ЕДИНИЦ
Атто (а) - 10-18
фемто (ф) - 10-15
пико (п) - 10-12
нано (н) - 10-9
микро (мк) - 10-6
милли (м) - 10-3
санти (с) - 10-2
деци (д) - 10-1
дека (да) - 101
гекто (г) - 102
кило (К) - 103
мега (М) - 106
гига (Г) - 109
тера (Т) - 1012
пета (П) - 1015
экса (Э) - 1018
Таким образом, наносекундные импульсы имеют характерную длительность 10-9 секунды, сантисветовая ракета способна достичь скорости 10-2 с ? 3.108 см/с, а "Тэвный ускоритель" соответствует энергиям разогнанных в нем элементарных частиц порядка 1012 эВ. Слова типа "микромир" (для элементарных частиц) или "мегамир" (для космических масштабов - от галактик и выше) употребляют просто по традиции, не связываясь соответствующими множителями.
5. ПЛАНКОВСКАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ
Длина: lP = v2G h /c3 ? 2,286 .10-33 см
Время: tP = v2G h /c5 ? 7,624 .10-44 с
Скорость: vP = c ? 2,998 .108 м/с
Масса: mР = v h c /2G ? 1,540 .10-8 кг
Энергия: EP = mРc2 = v h c5 /2G ? 1,384.109 Дж = 8,637.1027 эВ
Мощность LP = c5/2G ? 1,815 .1059 эрг/с = 1,815 .1052 Ватт
(светимость):
Частота: ?P = v c5 /2G h ? 1,312 .1043 c-1
Температура: TP = EP/k =k-1v h c5 /2G ? 1,002 .1032 K
Плотность массы: ?P = mР/4? lP3 /3 = 3c5/16 ? hG2 ? 6,158.1092 г/см3
Ускорение: aP = vP/ tP = v c7 /2G h ? 3,932 .1051 м/с2 ? 4.1050g(
Сила: FP = c4/2G = 6,053 .1043 Н
Используя планковскую систему, нетрудно представить все уравнения физики в полностью безразмерной форме - все входящие в них величины приобретают абсолютный масштаб. Формально это можно сделать, полагая h = с = 2G = кБольц = 1. Читатель, затративший некоторое время на такую работу, будет вознагражден хотя бы довольно ясным ощущением того, что все наши знания о мире звезд и элементарных частиц соответствуют обломкам какой-то правильной теории, точнее, ее пределам при x " lP, t " tP, L " LP, ( " (P и т. п. Единственный параметр, по которому современная физика умеет приближаться к планковской области - скорость (v ( c). Разумеется, в физике, химии и биологии довольно свободно обращаются с массами m ~ mP ? 15 микрограмм (водяная капелька радиусом порядка 0,15 мм), но по всем остальным параметрам (плотность, температура, размер и т. д.) соответствующие объекты крайне далеки от планковской области, и пока даже непонятно, может ли обусловить близость массы объекта к mP какие-то особые эффекты в макроскопическом мире. Удивительна, например, близость описанной водяной капельки к характерным параметрам биологических клеток (характерный размер одноклеточного эукариота, амебы, порядка 0,1 мм).
П p и л о ж e н и e 2
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ФУНДАМЕНАТАЛЬНЫЕ СИЛЫ
До сих пор все выглядит так, как если бы было построено по принципу колесиков внутри колес, мы ищем самое сокровенное колесико. Но все может быть совсем не так. И тогда вы ищете, не зная, что за чертовщина вам попадется.
Р. Фейнман
1. КЛАССИФИКАЦИЯ
Под элементарными частицами подразумеваются объекты, из которых на современном уровне эксперимента не выделены какие-либо более простые и самостоятельно регистрируемые сущности. Такое определение позволяет включить в число элементарных частиц все объекты, реально интересующие физику высоких энергий, не ограничиваясь теми, которые пока считаются бесструктурными (фотон, лептоны, кварки, глюоны). Первая элементарная частица (электрон) была открыта в 1897 г. английским физиком Дж. Дж. Томсоном, и несколько сотен аналогичных частиц, обнаруженных с тех пор, можно назвать "кирпичиками мироздания" - похоже, что из них построено все вещество наблюдаемой Вселенной. Неуверенность, что это вещество построено только из них, и подозрение, что они сами выстроены из чего-то более простого и фундаментального, исключительно сильно стимулируют исследовательскую активность.
Элементарные частицы характеризуются рядом параметров - таких, как масса, собственный момент количества движения (спин), заряды, с помощью которых обычно описывается взаимодействие и (или) законы сохранения*. Если частица нестабильна, то есть самопроизвольно распадается в вакууме, то по известным схемам распада вычисляют ее время жизни, и оно должно полностью выражаться через фундаментальный набор констант.
* Массы частиц можно выражать в граммах или килограммах, однако это не очень удобно. Поэтому используют специальные энергетические единицы электронвольт и его производные (чаще всего 1 МэВ = 106 эВ и 1 ГэВ = 109 эВ), в масштабе которых величины mс2 не имеют слишком больших или слишком малых множителей.
Собственный момент количества движения (спин) всегда дается в единицах постоянной
Планка h. Частицы, чей спин выражается в целых значениях h (0, h, 2h и т. д.),
называют бозонами (в честь индийского физика Шатьендраната Бозе), а в полуцелых
(h/2, 3h/2 и т. д.) - фермионами (в честь итальянского физика Энрико Ферми).
Электрический заряд всегда задают в единицах заряда электрона, а для описания электромагнитных взаимодействий удобна безразмерная величина ? = e2/ hc ? 1/137, так называемая постоянная тонкой структуры Аналогичные константы для описания сильных взаимодействий в 100 - 1000 раз больше. Для слабого взаимодействия вводится универсальная постоянная Ферми GF ? 10-5. h3/mp2c.
Аналогом постоянной тонкой структуры в гравитационных взаимодействиях служит квадрат отношения массы элементарной частицы к планковской массе (?гр = Gm2/ hc = 1/2 (m/mP)2). Некоторым частицам приписывают заряды, не имеющие динамического смысла, необходимые лишь для того, чтобы характеризовать сохранение частиц определенного сорта в реакциях. Так вводят, например, барионный заряд, полагая, что в любой реакции разность между числом барионов и антибарионов постоянна.
Калибровочные бозоны* - частицы со спином единица, переносчики электрослабого взаимодействия. В это семейство входят фотон (от греч. photos - частица света) - безмассовый квант электромагнитного поля (экспериментальное ограничение m? < 3.10-33 МэВ) и открытые совсем недавно промежуточные бозоны - два заряженных W+ и W- (mw = 80,6 +- 0,4 ГэВ) и один нейтральный Z0 (mZ = 91,161 +- 0,031 ГэВ). Фотон стабилен. W- и Z-бозоны, самые тяжелые из известных частиц, распадаются на лептон-антилептонные пары, однако их времена жизни оцениваются пока весьма приближенно (? ~ (2 ? 3) 10-25 с).
*Здесь и в дальнейшем данные заимствуются из "Обзора свойств частиц", составленного международной группой по данным о частицах (Particle Data Group, "Review of Particle Properties", Physics Letters, В 239, April, 1990).
Лептоны (от греч. leptos - легкий, мелкий) - к этому семейству частиц относятся электрон (е-), мюон (?-), ?-лептон (?-) и три типа нейтрино электронное (?e), мюонное (?? )и ?-нейтрино (??), а также соответствующие античастицы - позитрон (е+), антимюон (?+), анти-? (?+) и три типа антинейтрино (?e, ??,??). Все они - фермионы со спином 1/2. Характерное свойство лептонов - отсутствие собственной структуры, в рамках современных экспериментальных данных их рассматривают как точечные частицы, которые не способны напрямую участвовать в сильных взаимодействиях. Массы и времена жизни лептонов указаны в таблице (у соответствующих антилептонов те же параметры):
#
Частица ?e е ?? ? ?? ?
Масса (МэВ) 0(<17эВ) 0,51099906(15) <0,27 105,65839 (6) <35 1784,1(3)
Время жизни (сек) стабильно (?>300m?e)
стабилен (?> 2.1022 лет) стабильно (? > 1,1.105 . m??,) 2,19703(4).10-6
? (3,03 (0,08).10-13
#
ТАБЛИЦА ЛЕПТОНОВ В экспериментах московской группы из Института теоретической и экспериментальной физики по уточнению спектра ?-распада (n ( p + e-+?e) было получено нижнее ограничение на массу электронного нейтрино (14 эВ < m?e < 46 эВ), что эквивалентно доказательству наличия у нейтрино ненулевой собственной массы. Пока этот результат не подтвержден достаточным объемом независимых данных. Природа процессов, приводящих к огромному расщеплению масс е - ? - ?, пока не выявлена, и поэтому неясно, могут ли существовать недоступные современному эксперименту новые члены лептонного семейства.
Кварки (от англ. quark - образ таинственного духа, заимствованный из романа Джеймса Джойса "Поминки по Финнегану") - особые фермионы, существующие внутри адронов, но пока никогда не наблюдавшиеся в свободном виде. Несмотря на это, кварки считаются экспериментально обнаруженными объектами, например, очень быстрые электроны сталкиваются с ними, пролетая сквозь адрон. Для описания современных данных, связанных с адронами, вводят пять типов кварков - так называемых ароматов: u (верхний, от англ. up), d (нижний, от англ. down), с (очарованный, от англ. charm), s (странный, от англ. strange), b (прелестный от англ. beauty, или низший от англ. bottom), кроме того, есть серьезные теоретические основания дополнить их шестым t кварком (высшим от англ. top). Это устанавливает очень полезную симметрию между кварками и лептонами, которую можно задать классификацией обоих семейств по поколениям. В первое поколение входят ?e и е и, соответственно, u- и d-кварки, во второе - ?? и ? вместе с с- и s-кварками, в третье - ?? и ? вместе с t- и b-кварками. Электрические заряды кварков выражаются в долях заряда электрона (+ 2/3 у u, с, t и -1/3 у d, s, b; для антикварков заряды имеют противоположные знаки). Но кроме аромата кваркам необходимо приписать особое зарядовое свойство, обычно именуемое цветом*. Каждый кварк существует в одном из 3-х цветовых состояний (например, желтом, синем или красном). Таким образом, кварков 18 (столько же антикварков), и в каждом лептон-кварковом поколении содержится по 8 частиц.
* Такие наименования, как аромат, цвет или очарование - чисто художественные образы, не имеющие отношения к попыткам (в духе древней натурфилософии) понюхать кварки или оценить их "истинное лицо". Поток художественных образов, обрушившийся в последнее время на многие области фундаментальных исследований, можно расценивать как естественную реакцию на формалистическое засушивание языка научных статей и книг.
Данная схема позволяет полностью классифицировать все известные адроны по определенному кварковому составу. Например, считают, что протон состоит из двух u- и одного d-кварка, причем его полный электрический заряд единица (+2/3 + 2/3 -1/3 = +1). Нейтрон представляется комбинацией udd (+2/3 1/3 - 1/3 = 0), ?-гиперон - uds, мезоны - комбинацией кварка и антикварка
(?+ = ud, K+ = us, D+ = cd, F+ = cs, ? = сс, ? = bb и т. п.). Очень важно, что цвета кварков подбираются таким образом, что все наблюдаемые адроны оказываются цветонейтральными или белыми (пользуясь аналогией в смысле смешения трех чистых цветов). В этом плане цветовой заряд похож на электрический, скажем, нейтральный атом водорода можно считать смесью чистого отрицательного (электрон) и положительного (протон) электрических зарядов.
Массы кварков, нерегистрируемых в свободном состоянии, определяются лишь косвенно по анализу их связанных состояний - адронов. Поэтому речь может идти лишь о несколько неопределенной эффективной массовой характеристике. Современные данные позволяют привести, например, такой набор оценок: mu ~ 5 МэВ, md ~ 7 МэВ, ms ~ 150 МэВ, mс ~ 1,4 ГэВ, mb ~ 4,8 ГэВ, mt > 20 ГэВ.
Глюоны (от англ. glue - клей) - безмассовые частицы, играющие роль кваркового клея. Именно глюоны переносят взаимодействие между кварками и удерживают последние в "безвыходной темнице" внутри адронов. Современные теоретические схемы используют 8 глюонов, которые в роли переносчиков взаимодействия похожи на фотон и промежуточные бозоны (тоже имеют спин единица и являются калибровочными бозонами). Но фотон обеспечивает электромагнитную связь, будучи сам электрически нейтральной частицей, тогда как некоторые глюоны сами несут цветовой заряд, и каждый глюон может быть источником других глюонов. 6 глюонов обеспечивают изменение кварковых цветов в процессах взаимодействия, а 2 - ответственны за взаимодействия кварков, сохраняющих цвет. По современным представлениям, глюонные силы оригинальны в том отношении, что они исчезают на очень малых расстояниях, но могут стать велики на больших.
Адроны (от греч. hadros - тяжелый, сильный) - самое обширное семейство частиц, в которое включают и бозоны (мезоны) и фермионы (барионы), сильно взаимодействующие друг с другом. Массы и времена жизни некоторых адронов приводятся в таблице:
ТАБЛИЦА АДРОНОВ
#
Частица Название Масса (МэВ) Время жизни (сек) или ?-ширина для резонансов (МэВ)
#
Мезоны
Стабильные
?0 ?-ноль-мезон 134,9739 (6) 8,4.10-17
?+- ?+--мезон 139,5675 (4) 2,6030 (24).10-8
? Эта-мезон 548,8 (6) ( 8.10-19
(? = (1,19 +- 0,12) кэВ)
Резонансы
? (770) ро-770 768,3 (5) 149,1 (2,9)
?(783) омега-783 781,95 (14) 8,43 (10)
............ .................. .................. ...............
J/? (3097) джи-пси-мезон 3096,93 (9) 0,068 (10)
............ .................. .................. ...............
? (11020) ипсилон-мезон 11019 (8) 79 (16)
Барионы
Стабильные
p протон 938,27231 (28) (0,1 ? 5).1032 лет
n нейтрон 939,56563 (28) 888,6 (3,5)
? лямбда- гиперон 1115,63 (5) 2,632 (20).10-10
?- омега-минус-гиперон 1672,43 (32) 0,822 (12).10-10
Резонансы
N (1700) эн-1700 1700 (от 1670 до 1730) 100 (от 70 до 120)
............ .................. .................. ...............
? (1232) дельта-три-три 1232 (от 1230 до 1234) 115 (от110 до 120)
............ .................. .................. ...............
N (2600) эн-2600 от 2580 до 2700 ( 400
Эта таблица требует некоторых пояснений. Во-первых, адронов насчитывается 2-3 сотни. Столь удивительная приблизительность связана с тем, что не все они зарегистрированы с одинаковой долей точности. В полных таблицах элементарных частиц приводится 4 степени регистрации (хорошая; ясная и безошибочная; хорошая, но нуждающаяся в подтверждении; слабая). Наряду с отмеченными в таблицу входят обширные группы мезонов (К, D, F, В, ?, ? и др.) и барионов (N, ?, ?, ?, дибарионы). При оценке количества частиц надо иметь в виду, что за некоторыми символами иногда скрывается много частиц. Один из таких случаев явно раскрыт в таблице: ?-мезон - это три близких по массе частицы с разными зарядами (?+, ?- и ?0). Столько же частиц скрывается за символом ? (?+, ?- и ?0), а барионный резонанс ? (1232) - это целых четыре состояния (?++ , ?+, ?0 и ?-). В целом, можно сделать вывод, что адроны образуют довольно плотный спектр состояний мезоны в интервале 135- 11 000 МэВ, а барионы в интервале 940-3000 МэВ. Во-вторых, следует немного задержать внимание на разделении мезонов и барионов на подклассы стабильных и нестабильных (резонансы). На самом деле единственный абсолютно стабильный адрон - это протон, хотя теоретики не уверены и в этом. Стабильными адронами обычно называют те, которые имеют относительно большое время жизни в ядерном масштабе времен (10-23 с), то есть распадаются за счет сравнительно малоинтенсивных слабых (?+-, n, ?-) и электромагнитных (?0, ?) взаимодействий. Резонансы же распадаются очень быстро за счет сильных взаимодействий, и для характеризации этих распадов используют так называемую ?-ширину, обратно пропорциональную времени жизни (? = h/?)*. Из-за быстрого распада резонансы обычно не оставляют собственного следа в регистрирующих устройствах, но приводят к вполне определенной перестройке в распределениях непосредственно детектируемых частиц по энергии, главным образом к возникновению пиков в этих распределениях при тех или иных значениях энергии. Пиковые значения энергии и определяются как массы адронных резонансов, а ширина пика ("размытость массы резонанса") и есть ?-ширина.
Но со временем их экологическая ситуация может измениться и истощение источников потребует выхода в экстравертивную ("направленную вовне") фазу. Последует более или менее обширная экспансия - в масштабах небольшой звездной системы или Галактики.
Мне кажется, что реальное развитие цивилизаций хотя бы очень усредненно можно представить колебательной сменой таких интровертивных и экстравертивных режимов. Эта картина неплохо подтверждается историческим материалом*, но, разумеется, в космических масштабах ситуация должна приобрести качественно новые черты.
* Исторический анализ довольно сложен и требует четкой фиксации пространственных (вся планета, континент, страна) и временных (тысячелетие, век, десятилетие) масштабов. Скажем, резкое нарастание экстравертивного режима характеризует поведение европейских цивилизаций 2-й половины завершающегося тысячелетия в планетарном масштабе.
9. Что служит минимальным вступительным взносом в Космический Клуб? Может показаться, что взнос с очевидностью сводится к созданию технических систем, способных зарегистрировать сигнал внеземной цивилизации. Это, бесспорно, важно, но узнать о Клубе - еще не значит вступить в него. Подтверждение полученного сигнала - тоже важнейший момент, но понятно, что Контакт включает в себя и много иных операций.
Вступительный взнос в данном случае - процесс, процесс осознания себя космически значимым фактором. Осознавая себя в этой роли, мы заведомо повышаем шансы на Контакт.
Надо ясно представлять, что речь идет об очень длительном процессе, и до вступления в Космический Клуб земная цивилизация может совершить несколько переходов между интровертивной и экстравертивной фазами и неузнаваемо изменить облик своих биосоциальных структур. Сделать такой процесс хотя бы частично управляемым, сознательно генерируя новые основные структуры цивилизации,- это тоже важнейший вклад в решение проблемы Контакта. Быть может, минимальный взнос (именно наш - современного человечества) как раз и заключается в создании нового уровня разума, способного воспринять и расшифровать внеземные сигналы,- в каком-то смысле того суперприбора, который откроет нашим потомкам спектр космических цивилизаций. Скорее всего, человечество обречено на решение этой задачи, хотя бы потому, что только в ее масштабе мы сумеем воспринять себя общностью, погасить угрожающие внутренние разногласия перед лицом включения в единую систему разумной Вселенной.
10. Перспектива Контакта - одна из немногих, если не единственная возможность сформулировать общую цель человечества. Выживание в условиях растущего материального благосостояния само по себе не может составить объединяющей цели, оно несколько по-разному понимается отдельными социальными группами, а главное - не вводит иных масштабов, не дает шансов посмотреть на себя как бы со стороны. Поэтому я не уверен, что оно могло бы составить самостоятельную программу без явного выделения крупномасштабных эволюционных перспектив.
Международные проекты, связанные с Контактом - особенно с активными его вариантами, должны сыграть решающую роль не только в успешной будущей эволюции, но и в самом выживании нашей цивилизации. Их последствия нельзя планировать узко, скажем, как блокирование вывода оружия в космическое пространство. Это тоже очень важно, но, к сожалению, далеко не все.
Реально маховики военно-промышленного комплекса имеют огромную инерцию, и остановить их простой демонстрацией кошмарных последствий тотальной войны невозможно. Эти кошмары, в сущности, планируются, ради них и крутятся означенные маховики. Стоит подумать, однако, куда следовало бы направить запасенную ими гигантскую энергию, в какую форму ее преобразовать. Не послужат ли проекты Контакта, способные открыть поле для гораздо более полезной и дерзновенной деятельности, именно нужной формой?
Это технический образ - не более. Но если говорить вполне серьезно, следует ясно представлять, что военно-промышленный комплекс - мощнейший социальный организм внутри каждого развитого государства, обладающий огромной реальной силой, и картинки его мгновенной ликвидации прозревшими согражданами в высшей степени иллюзорны. "Убийство" системы, оттягивающей порядка 10 % совокупного национального дохода планеты, вряд ли не покажется вариантом волшебной сказки о злом драконе и смелом королевиче. Проблема в том, чтобы заставить эту систему эволюционизировать в нужном направлении с учетом того, что она развивалась на протяжении тысячелетий как важнейший атрибут экстравертивных обществ. Возможно, это самая актуальная из автоэволюционных задач человечества, и от ее решения будет зависеть наше проникновение в класс цивилизаций С.
Международный Космический Комитет, который можно было бы создать в рамках ООН или на основе особого межправительственного статуса, пользующийся правом полного контроля космических программ, сумел бы проделать немалую работу по указанной эволюции. Речь идет о систематической перекачке средств из национальных военных бюджетов в глобальные космические и биологические программы. Начав с малого, скажем, с 1 % совокупного военного бюджета, следовало бы постепенно расширять программы, доводя их объем до 10 % национального дохода (или другого, более разумного уровня). Главное здесь - сугубо эволюционная постепенность, которая позволила бы сменить за несколько десятилетий ориентацию огромной части промышленного потенциала сравнительно безболезненным образом. Практически все области разработок, ведущихся ныне в рамках военных программ, нашли бы свое разумное продолжение в новой ситуации и превратились бы из угрожающих монстров в нечто в высшей степени полезное.
Я назвал бы такое решение истинной заявкой в Космический Клуб. Иные решения, не предусматривающие эволюции военно-промышленных комплексов в системы, отвечающие более естественным общечеловеческим целям, скорее всего, послужат заявкой в пещеры или в полное небытие. Наше будущее пока еще в наших руках, и хочется верить, что мы не отгородимся от него кольцом мегатонных ядерных взрывов, а попытаемся выйти к горизонтам прекрасной и загадочной разумной Вселенной.
* * *
Прогнозы всегда требуют указания сколь-нибудь определенных сроков исполнения. В данном случае не проводилось работы по экстраполяции конкретных графиков развития той или иной области техники, и я не пытался попасть пальцем в небо, указывая точную дату научных открытии типа создания эвромата или получения сигнала ВЦ. Это скорее попытка целостного прогноза по совокупности параметров, которые в данный момент кажутся наиболее важными.
Практически все 10 пунктов основаны на решении общей для человечества проблемы преодоления надвигающегося социально-экологического кризиса. По-моему, выйдя из его круговоротов, мы сумеем совершенно по-новому взглянуть на Вселенную, и понятия, связанные с Контактом, станут для нас чем-то естественным и близким, даже в том случае, если ни одного сигнала ВЦ до тех пор принято не будет. Проделать же этот путь придется не более чем за 100 или 200 лет, причем первый срок кажется более правдоподобным (если не завышенным!). На эту длительность и рассчитаны приведенные прогнозы. Некоторые из них - прежде всего предотвращение глобальной бойни за счет эволюции военных систем - должны сбыться еще в текущем веке. Наша планета подобна лодке в открытом океане, и нельзя допустить, чтобы некоторые гребцы настойчиво долбили дно. Для их энтузиазма стоило бы подыскать иную форму пусть, например, до боли в глазах ищут берег или другие лодки. Если и не сразу найдут, то, по крайней мере, поймут, что океан - не место для их прежних занятий*.
* Есть такой лирико-космический образ: человек стал человеком, распрямившись и взглянув на звезды. Мне всегда казалось, что здесь сказано полправды, а другая ее половина в том, что до того он любовался совершенными линиями своей дубины...
Прогнозы типа создания нового вида, конечно, более отдалены, однако реальное начало соответствующему процессу может быть положено уже в 21 веке. Преодоление этого рубежа будет сопряжено с величайшим переворотом в человеческой морали. Мы впервые ощутим себя не только промежуточным звеном между своими родителями и своими детьми, но и элементом огромной эволюционной цепочки, начало которой теряется в густом пока тумане первых мгновений после Первовзрыва, а предел обусловлен лишь нашими способностями футуровидения. Впервые придется не только с царским благодушием взирать на эволюционное подножие своего трона, где копошатся забавные обезьянки и потрясают примитивными копьями всевозможные антропы, но и бросить взгляд вверх, где делают первые шаги существа, несущие в себе наше далекое будущее.
Не думаю, что вступление во вселенское гражданство будет слишком идиллическим - среди взглядов, брошенных вверх, наверняка найдутся исполненные черной зависти, и многое в дальнейшем движении окажется крайне трудным. Предрассудки не раз еще станут подталкивать нас к катастрофам невообразимого масштаба. Но в их преодолении и будет рождаться новый человек в новой общности с себе подобными и с коллегами по Космическому Клубу - тот, кому предстоит заново открыть Вселенную.
П p и л о ж e н и e 1
НЕКОТОРЫЕ КОНСТАНТЫ, ПАРАМЕТРЫ И ЕДИНИЦЫ*
*В скобках указаны погрешности в определении фундаментальных констант, например, G = 6,6720(41) = 6,6720 +- 0,0041. Данные по фундаментальным константам соответствуют публикациям 1990 года.
1. ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ
Постоянная Планка: h = h/2? = 1,05457266(63).10-34 Дж.c
Скорость света: c = 2,99792458.108 м/с
Гравитационная постоянная: G = 6,67259(85).10-11 м3/кгс2
Заряд электрона: e = 1,60217733(49).10-19 Кулон
Постоянная Больцмана: k = 1,3806513(25).10-23Дж/К
Масса электрона: me = 9,1093897(54).10-31 кг =
=0,51099906(15) МэВ
Масса протона: mp = 1836,152701(37)me =
=938,27231 (28) МэВ ?1,673.10-27 кг
Масса нейтрона: mn = 939,56563(28) МэВ ?1,675.10-27 кг
Комптоновский радиус электрона: (e = h /meс = 3,86159323(35).10-13 м
Боровский радиус атома водорода: a?B= h2/mee2 =
=0,529177249(24).10-10 м
2. АСТРОНОМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
Масса Земли: М( =5,977(4).1024 кг
Средний радиус Земли: R( ? 6371 км, (rэкватор = 6378,16 км;
rполюс = 6356,78 км)
Ускорение свободного падения g= 9,80665 м/с2
на поверхности Земли: (45° широты, на уровне моря)
Масса Солнца: М( = 1,9892(25).1030 кг ? 2.1030 кг
Средний радиус Солнца: R( = 6,9599(7).108 м ? 7.105 км
Гравитационный радиус Солнца: Rg(= 2GM(/c2 ? 2,95 км (гравитационные радиусы других звезд удобно вычислять по приближенной формуле Rg ? 3(M/M())
Светимость Солнца: L( = 3,826(8).1026 Ватт
Видимая звездная величина Солнца: m?( = -26,77
Абсолютная звездная величина Солнца: M?( = 4,79
Масса Галактики: Мгал ?1,5.1011 М(
Радиус Галактики: Rгал ? 2.104 пс
Радиус ядра Галактики: Rядра ?10 пс
3. ЕДИНИЦЫ ВРЕМЕНИ, РАССТОЯНИЙ И ЭНЕРГИИ
Характерное космологическое время: T = 1/H = 1,96 .1010 лет
(при значении функции Хаббла Н = 50 км/сМпс)
Сидерический год: 1 год = 3,1558.107 с ? ?.107 с
Галактический год для Солнца: 1 гал. год ? 2,75.108 лет
Астрономическая единица: 1 а.е. = 1,4959787066(2).1011 м ? 1,5.108 км
(среднее расстояние между Землей и Солнцем)
Световой год: 1 св. г. = 9,46.1015 м ? 6,324.104 а.е. = 0,3066 пс
Парсек: 1 пс = 3,0856775806.1016 м ? 3,2616 св. г. ? 2,06.105 а.е.
Ангстрем: 1 A = 10-10 м
Электронвольт: 1 эВ = 1,60217733(49).10-19 Дж
Джоуль (единица энергии в СИ): 1 Дж = 107 эрг ? 6,24.1018 эВ
Ватт (единица мощности в СИ): 1Вт = 1 Дж/с = 107эрг/с
4. ПРИСТАВКИ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОИЗВОДНЫХ ЕДИНИЦ
Атто (а) - 10-18
фемто (ф) - 10-15
пико (п) - 10-12
нано (н) - 10-9
микро (мк) - 10-6
милли (м) - 10-3
санти (с) - 10-2
деци (д) - 10-1
дека (да) - 101
гекто (г) - 102
кило (К) - 103
мега (М) - 106
гига (Г) - 109
тера (Т) - 1012
пета (П) - 1015
экса (Э) - 1018
Таким образом, наносекундные импульсы имеют характерную длительность 10-9 секунды, сантисветовая ракета способна достичь скорости 10-2 с ? 3.108 см/с, а "Тэвный ускоритель" соответствует энергиям разогнанных в нем элементарных частиц порядка 1012 эВ. Слова типа "микромир" (для элементарных частиц) или "мегамир" (для космических масштабов - от галактик и выше) употребляют просто по традиции, не связываясь соответствующими множителями.
5. ПЛАНКОВСКАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ
Длина: lP = v2G h /c3 ? 2,286 .10-33 см
Время: tP = v2G h /c5 ? 7,624 .10-44 с
Скорость: vP = c ? 2,998 .108 м/с
Масса: mР = v h c /2G ? 1,540 .10-8 кг
Энергия: EP = mРc2 = v h c5 /2G ? 1,384.109 Дж = 8,637.1027 эВ
Мощность LP = c5/2G ? 1,815 .1059 эрг/с = 1,815 .1052 Ватт
(светимость):
Частота: ?P = v c5 /2G h ? 1,312 .1043 c-1
Температура: TP = EP/k =k-1v h c5 /2G ? 1,002 .1032 K
Плотность массы: ?P = mР/4? lP3 /3 = 3c5/16 ? hG2 ? 6,158.1092 г/см3
Ускорение: aP = vP/ tP = v c7 /2G h ? 3,932 .1051 м/с2 ? 4.1050g(
Сила: FP = c4/2G = 6,053 .1043 Н
Используя планковскую систему, нетрудно представить все уравнения физики в полностью безразмерной форме - все входящие в них величины приобретают абсолютный масштаб. Формально это можно сделать, полагая h = с = 2G = кБольц = 1. Читатель, затративший некоторое время на такую работу, будет вознагражден хотя бы довольно ясным ощущением того, что все наши знания о мире звезд и элементарных частиц соответствуют обломкам какой-то правильной теории, точнее, ее пределам при x " lP, t " tP, L " LP, ( " (P и т. п. Единственный параметр, по которому современная физика умеет приближаться к планковской области - скорость (v ( c). Разумеется, в физике, химии и биологии довольно свободно обращаются с массами m ~ mP ? 15 микрограмм (водяная капелька радиусом порядка 0,15 мм), но по всем остальным параметрам (плотность, температура, размер и т. д.) соответствующие объекты крайне далеки от планковской области, и пока даже непонятно, может ли обусловить близость массы объекта к mP какие-то особые эффекты в макроскопическом мире. Удивительна, например, близость описанной водяной капельки к характерным параметрам биологических клеток (характерный размер одноклеточного эукариота, амебы, порядка 0,1 мм).
П p и л о ж e н и e 2
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ФУНДАМЕНАТАЛЬНЫЕ СИЛЫ
До сих пор все выглядит так, как если бы было построено по принципу колесиков внутри колес, мы ищем самое сокровенное колесико. Но все может быть совсем не так. И тогда вы ищете, не зная, что за чертовщина вам попадется.
Р. Фейнман
1. КЛАССИФИКАЦИЯ
Под элементарными частицами подразумеваются объекты, из которых на современном уровне эксперимента не выделены какие-либо более простые и самостоятельно регистрируемые сущности. Такое определение позволяет включить в число элементарных частиц все объекты, реально интересующие физику высоких энергий, не ограничиваясь теми, которые пока считаются бесструктурными (фотон, лептоны, кварки, глюоны). Первая элементарная частица (электрон) была открыта в 1897 г. английским физиком Дж. Дж. Томсоном, и несколько сотен аналогичных частиц, обнаруженных с тех пор, можно назвать "кирпичиками мироздания" - похоже, что из них построено все вещество наблюдаемой Вселенной. Неуверенность, что это вещество построено только из них, и подозрение, что они сами выстроены из чего-то более простого и фундаментального, исключительно сильно стимулируют исследовательскую активность.
Элементарные частицы характеризуются рядом параметров - таких, как масса, собственный момент количества движения (спин), заряды, с помощью которых обычно описывается взаимодействие и (или) законы сохранения*. Если частица нестабильна, то есть самопроизвольно распадается в вакууме, то по известным схемам распада вычисляют ее время жизни, и оно должно полностью выражаться через фундаментальный набор констант.
* Массы частиц можно выражать в граммах или килограммах, однако это не очень удобно. Поэтому используют специальные энергетические единицы электронвольт и его производные (чаще всего 1 МэВ = 106 эВ и 1 ГэВ = 109 эВ), в масштабе которых величины mс2 не имеют слишком больших или слишком малых множителей.
Собственный момент количества движения (спин) всегда дается в единицах постоянной
Планка h. Частицы, чей спин выражается в целых значениях h (0, h, 2h и т. д.),
называют бозонами (в честь индийского физика Шатьендраната Бозе), а в полуцелых
(h/2, 3h/2 и т. д.) - фермионами (в честь итальянского физика Энрико Ферми).
Электрический заряд всегда задают в единицах заряда электрона, а для описания электромагнитных взаимодействий удобна безразмерная величина ? = e2/ hc ? 1/137, так называемая постоянная тонкой структуры Аналогичные константы для описания сильных взаимодействий в 100 - 1000 раз больше. Для слабого взаимодействия вводится универсальная постоянная Ферми GF ? 10-5. h3/mp2c.
Аналогом постоянной тонкой структуры в гравитационных взаимодействиях служит квадрат отношения массы элементарной частицы к планковской массе (?гр = Gm2/ hc = 1/2 (m/mP)2). Некоторым частицам приписывают заряды, не имеющие динамического смысла, необходимые лишь для того, чтобы характеризовать сохранение частиц определенного сорта в реакциях. Так вводят, например, барионный заряд, полагая, что в любой реакции разность между числом барионов и антибарионов постоянна.
Калибровочные бозоны* - частицы со спином единица, переносчики электрослабого взаимодействия. В это семейство входят фотон (от греч. photos - частица света) - безмассовый квант электромагнитного поля (экспериментальное ограничение m? < 3.10-33 МэВ) и открытые совсем недавно промежуточные бозоны - два заряженных W+ и W- (mw = 80,6 +- 0,4 ГэВ) и один нейтральный Z0 (mZ = 91,161 +- 0,031 ГэВ). Фотон стабилен. W- и Z-бозоны, самые тяжелые из известных частиц, распадаются на лептон-антилептонные пары, однако их времена жизни оцениваются пока весьма приближенно (? ~ (2 ? 3) 10-25 с).
*Здесь и в дальнейшем данные заимствуются из "Обзора свойств частиц", составленного международной группой по данным о частицах (Particle Data Group, "Review of Particle Properties", Physics Letters, В 239, April, 1990).
Лептоны (от греч. leptos - легкий, мелкий) - к этому семейству частиц относятся электрон (е-), мюон (?-), ?-лептон (?-) и три типа нейтрино электронное (?e), мюонное (?? )и ?-нейтрино (??), а также соответствующие античастицы - позитрон (е+), антимюон (?+), анти-? (?+) и три типа антинейтрино (?e, ??,??). Все они - фермионы со спином 1/2. Характерное свойство лептонов - отсутствие собственной структуры, в рамках современных экспериментальных данных их рассматривают как точечные частицы, которые не способны напрямую участвовать в сильных взаимодействиях. Массы и времена жизни лептонов указаны в таблице (у соответствующих антилептонов те же параметры):
#
Частица ?e е ?? ? ?? ?
Масса (МэВ) 0(<17эВ) 0,51099906(15) <0,27 105,65839 (6) <35 1784,1(3)
Время жизни (сек) стабильно (?>300m?e)
стабилен (?> 2.1022 лет) стабильно (? > 1,1.105 . m??,) 2,19703(4).10-6
? (3,03 (0,08).10-13
#
ТАБЛИЦА ЛЕПТОНОВ В экспериментах московской группы из Института теоретической и экспериментальной физики по уточнению спектра ?-распада (n ( p + e-+?e) было получено нижнее ограничение на массу электронного нейтрино (14 эВ < m?e < 46 эВ), что эквивалентно доказательству наличия у нейтрино ненулевой собственной массы. Пока этот результат не подтвержден достаточным объемом независимых данных. Природа процессов, приводящих к огромному расщеплению масс е - ? - ?, пока не выявлена, и поэтому неясно, могут ли существовать недоступные современному эксперименту новые члены лептонного семейства.
Кварки (от англ. quark - образ таинственного духа, заимствованный из романа Джеймса Джойса "Поминки по Финнегану") - особые фермионы, существующие внутри адронов, но пока никогда не наблюдавшиеся в свободном виде. Несмотря на это, кварки считаются экспериментально обнаруженными объектами, например, очень быстрые электроны сталкиваются с ними, пролетая сквозь адрон. Для описания современных данных, связанных с адронами, вводят пять типов кварков - так называемых ароматов: u (верхний, от англ. up), d (нижний, от англ. down), с (очарованный, от англ. charm), s (странный, от англ. strange), b (прелестный от англ. beauty, или низший от англ. bottom), кроме того, есть серьезные теоретические основания дополнить их шестым t кварком (высшим от англ. top). Это устанавливает очень полезную симметрию между кварками и лептонами, которую можно задать классификацией обоих семейств по поколениям. В первое поколение входят ?e и е и, соответственно, u- и d-кварки, во второе - ?? и ? вместе с с- и s-кварками, в третье - ?? и ? вместе с t- и b-кварками. Электрические заряды кварков выражаются в долях заряда электрона (+ 2/3 у u, с, t и -1/3 у d, s, b; для антикварков заряды имеют противоположные знаки). Но кроме аромата кваркам необходимо приписать особое зарядовое свойство, обычно именуемое цветом*. Каждый кварк существует в одном из 3-х цветовых состояний (например, желтом, синем или красном). Таким образом, кварков 18 (столько же антикварков), и в каждом лептон-кварковом поколении содержится по 8 частиц.
* Такие наименования, как аромат, цвет или очарование - чисто художественные образы, не имеющие отношения к попыткам (в духе древней натурфилософии) понюхать кварки или оценить их "истинное лицо". Поток художественных образов, обрушившийся в последнее время на многие области фундаментальных исследований, можно расценивать как естественную реакцию на формалистическое засушивание языка научных статей и книг.
Данная схема позволяет полностью классифицировать все известные адроны по определенному кварковому составу. Например, считают, что протон состоит из двух u- и одного d-кварка, причем его полный электрический заряд единица (+2/3 + 2/3 -1/3 = +1). Нейтрон представляется комбинацией udd (+2/3 1/3 - 1/3 = 0), ?-гиперон - uds, мезоны - комбинацией кварка и антикварка
(?+ = ud, K+ = us, D+ = cd, F+ = cs, ? = сс, ? = bb и т. п.). Очень важно, что цвета кварков подбираются таким образом, что все наблюдаемые адроны оказываются цветонейтральными или белыми (пользуясь аналогией в смысле смешения трех чистых цветов). В этом плане цветовой заряд похож на электрический, скажем, нейтральный атом водорода можно считать смесью чистого отрицательного (электрон) и положительного (протон) электрических зарядов.
Массы кварков, нерегистрируемых в свободном состоянии, определяются лишь косвенно по анализу их связанных состояний - адронов. Поэтому речь может идти лишь о несколько неопределенной эффективной массовой характеристике. Современные данные позволяют привести, например, такой набор оценок: mu ~ 5 МэВ, md ~ 7 МэВ, ms ~ 150 МэВ, mс ~ 1,4 ГэВ, mb ~ 4,8 ГэВ, mt > 20 ГэВ.
Глюоны (от англ. glue - клей) - безмассовые частицы, играющие роль кваркового клея. Именно глюоны переносят взаимодействие между кварками и удерживают последние в "безвыходной темнице" внутри адронов. Современные теоретические схемы используют 8 глюонов, которые в роли переносчиков взаимодействия похожи на фотон и промежуточные бозоны (тоже имеют спин единица и являются калибровочными бозонами). Но фотон обеспечивает электромагнитную связь, будучи сам электрически нейтральной частицей, тогда как некоторые глюоны сами несут цветовой заряд, и каждый глюон может быть источником других глюонов. 6 глюонов обеспечивают изменение кварковых цветов в процессах взаимодействия, а 2 - ответственны за взаимодействия кварков, сохраняющих цвет. По современным представлениям, глюонные силы оригинальны в том отношении, что они исчезают на очень малых расстояниях, но могут стать велики на больших.
Адроны (от греч. hadros - тяжелый, сильный) - самое обширное семейство частиц, в которое включают и бозоны (мезоны) и фермионы (барионы), сильно взаимодействующие друг с другом. Массы и времена жизни некоторых адронов приводятся в таблице:
ТАБЛИЦА АДРОНОВ
#
Частица Название Масса (МэВ) Время жизни (сек) или ?-ширина для резонансов (МэВ)
#
Мезоны
Стабильные
?0 ?-ноль-мезон 134,9739 (6) 8,4.10-17
?+- ?+--мезон 139,5675 (4) 2,6030 (24).10-8
? Эта-мезон 548,8 (6) ( 8.10-19
(? = (1,19 +- 0,12) кэВ)
Резонансы
? (770) ро-770 768,3 (5) 149,1 (2,9)
?(783) омега-783 781,95 (14) 8,43 (10)
............ .................. .................. ...............
J/? (3097) джи-пси-мезон 3096,93 (9) 0,068 (10)
............ .................. .................. ...............
? (11020) ипсилон-мезон 11019 (8) 79 (16)
Барионы
Стабильные
p протон 938,27231 (28) (0,1 ? 5).1032 лет
n нейтрон 939,56563 (28) 888,6 (3,5)
? лямбда- гиперон 1115,63 (5) 2,632 (20).10-10
?- омега-минус-гиперон 1672,43 (32) 0,822 (12).10-10
Резонансы
N (1700) эн-1700 1700 (от 1670 до 1730) 100 (от 70 до 120)
............ .................. .................. ...............
? (1232) дельта-три-три 1232 (от 1230 до 1234) 115 (от110 до 120)
............ .................. .................. ...............
N (2600) эн-2600 от 2580 до 2700 ( 400
Эта таблица требует некоторых пояснений. Во-первых, адронов насчитывается 2-3 сотни. Столь удивительная приблизительность связана с тем, что не все они зарегистрированы с одинаковой долей точности. В полных таблицах элементарных частиц приводится 4 степени регистрации (хорошая; ясная и безошибочная; хорошая, но нуждающаяся в подтверждении; слабая). Наряду с отмеченными в таблицу входят обширные группы мезонов (К, D, F, В, ?, ? и др.) и барионов (N, ?, ?, ?, дибарионы). При оценке количества частиц надо иметь в виду, что за некоторыми символами иногда скрывается много частиц. Один из таких случаев явно раскрыт в таблице: ?-мезон - это три близких по массе частицы с разными зарядами (?+, ?- и ?0). Столько же частиц скрывается за символом ? (?+, ?- и ?0), а барионный резонанс ? (1232) - это целых четыре состояния (?++ , ?+, ?0 и ?-). В целом, можно сделать вывод, что адроны образуют довольно плотный спектр состояний мезоны в интервале 135- 11 000 МэВ, а барионы в интервале 940-3000 МэВ. Во-вторых, следует немного задержать внимание на разделении мезонов и барионов на подклассы стабильных и нестабильных (резонансы). На самом деле единственный абсолютно стабильный адрон - это протон, хотя теоретики не уверены и в этом. Стабильными адронами обычно называют те, которые имеют относительно большое время жизни в ядерном масштабе времен (10-23 с), то есть распадаются за счет сравнительно малоинтенсивных слабых (?+-, n, ?-) и электромагнитных (?0, ?) взаимодействий. Резонансы же распадаются очень быстро за счет сильных взаимодействий, и для характеризации этих распадов используют так называемую ?-ширину, обратно пропорциональную времени жизни (? = h/?)*. Из-за быстрого распада резонансы обычно не оставляют собственного следа в регистрирующих устройствах, но приводят к вполне определенной перестройке в распределениях непосредственно детектируемых частиц по энергии, главным образом к возникновению пиков в этих распределениях при тех или иных значениях энергии. Пиковые значения энергии и определяются как массы адронных резонансов, а ширина пика ("размытость массы резонанса") и есть ?-ширина.