Найдыш В. Концепции современного естествознания: Учебник

ОГЛАВЛЕНИЕ

10. МИР ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Во второй половине XX в., с созданием ускорителей заряженных частиц, в физике получены поистине удивительные результаты. Было открыто множество новых субатомных частиц. Новые частицы обычно открывают, наблюдая за реакцией рассеяния уже известных частиц. Для этого в ускорителях частицы сталкивают с как можно большей энергией, а затем исследуют продукты их взаимодействия.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. К уже известным частицам, из которых построены атомы и молекулы (протоны, нейтроны, электроны), добавилось множество других: мюонов, мезонов, гиперонов, античастиц, различных нейтральных частиц и др. Среди субатомных частиц обнаружились и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются, — резонансы. Время их жизни — мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы.

В 1950— 1970-е гг. физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Если в конце 1940-х гг. было известно 15 элементарных частиц, то в конце 1970-х — уже около 400. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли элементарные частицы случайными осколками материи или, возможно, за их взаимодействиями скрывается некоторый порядок? Развитие физики в последующие десятилетия показало: миру субатомных частиц присущ глубокий структурный порядок. В основе этого порядка — фундаментальные физические взаимодействия.

10.1. Фундаментальные физические взаимодействия

10.1.1. Понятие фундаментального физического взаимодействия.

В своей повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела: сила ветра или потока воды; давление воздуха; мощный выброс взрывающихся химических веществ; мускульная сила человека; вес предметов; давление квантов света; притяжение и отталкивание электрических зарядов; сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения; вулканические извержения, приводившие к гибели цивили-

349

заций, и т.д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям.

В порядке возрастания интенсивности эти фундаментальные взаимодействия представляются следующим образом: гравитационное взаимодействие; слабое взаимодействие; электромагнитное взаимодействие; сильное взаимодействие. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в природе, именно они являются источником всех преобразований материальных тел, процессов. Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои отличия.

Прежде всего следует сказать о том, что является общим для этих фундаментальных взаимодействий. Иначе говоря: как понимает современная физика сущность взаимодействия? Как уже отмечалось, еще в середине XIX в. с созданием теории электромагнитного поля выяснилось, что передача взаимодействия осуществляется не мгновенно (принцип дальнодействия), а с конечной скоростью посредством некоторого посредника — непрерывно распределенного в пространстве поля (принцип близкодействия). Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света (см. 8.1.4).

Однако уже в первой четверти XX в., с появлением квантовой механики значительно углубилось представление о физическом поле. В свете квантово-волнового дуализма любое поле является не непрерывным, а имеет дискретную структуру, ему должны соответствовать определенные частицы, кванты этого поля. Например, квантами электромагнитного поля являются фотоны. Когда заряженные частицы обмениваются между собой фотонами, это приводит к появлению электромагнитного поля. Фотоны и являются переносчиками электромагнитного взаимодействия.

Аналогичным образом и другие виды фундаментальных взаимодействий имеют свои поля и соответствующие частицы, переносящие это полевое взаимодействие. Изучение конкретных свойств, закономерностей этих полей и частиц — носителей фундаментальных взаимодействий — главная задача современной физики.

350

10.1.2. Гравитация.

Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Созданная в XVII в. ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы (см. 6.4.1). Релятивистской теорией гравитации является ОТО, которая в области слабых гравитационных полей переходит в теорию тяготения Ньютона.

Гравитация обладает рядом особенностей, резко отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 1039 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов [1]. Поэтому в описании взаимодействий элементарных частиц оно обычно не учитывается. В микромире гравитация ничтожна.

1 Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то радиус низшей (самой близкой к ядру) орбиты электрона превосходил бы радиус доступной наблюдению части Вселенной.

Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной? Все дело во второй удивительной черте гравитации — ее универсальности. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас.

Кроме того, гравитация — дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

351

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось [1].

1 Хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая называется левитацией — поиск «фактов» антигравитации.

Весьма трудно развиваются представления о квантовании гравитации. Тем не менее согласно общим теоретико-физическим представлениям гравитационное взаимодействие должно подчиняться квантовым законам так же, как и электромагнитное. (Иначе возникают множественные противоречия в основаниях современной физики, в том числе связанные с принципом неопределенности и др.) В таком случае гравитационному взаимодействию должно соответствовать поле с квантом гравитации — гравитоном (нейтральная частица с нулевой массой покоя и спином 2). Квантовая гравитация приводит к появлению представления о дискретности свойств пространства-времени, понятиям элементарной длины, кванта пространства r ≈ 10-33см, и элементарного временного интервала, кванта времени t ≈ 10-43 с. Последовательная квантовая теория гравитации пока не создана.

К сожалению, возможности современной экспериментальной гравитационной физики и астрономии не позволяют зафиксировать квантовые эффекты гравитации в силу их чрезвычайной слабости. Тем не менее явления, в которых проявляются квантовые свойства гравитации, по-видимому, существуют. Они проявляют себя в очень сильных гравитационных полях, где происходят квантовые процессы рождения частиц (точка сингулярности, начальные моменты возникновения Вселенной, гравитационный коллапс, черные дыры (см. 11.4 и 11.7)).

10.1.3. Электромагнетизм.

По величине электрические силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.). Но долгое время электрические и магнитные явления изучались независимо друг от друга. И только в середине XIX в. Дж. К. Максвелл объединил учения об электричестве и магнетизме в единой теории электромагнит-

352

ного поля. А существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 1890-е гг. Но не все элементарные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. Этим электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.

Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Но в отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами — северный полюс и южный. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс — монополь. Но все они заканчивались неудачей. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые современные теории допускают возможность существования магнитного монополя (см. 10.3.5).

Электромагнитное поле неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неотрывно от этих частиц. Но при ускоренном движении частиц электромагнитное поле «отрывается» от них и участвует в независимой форме электромагнитных волн. При этом радиоволны (103—1012 Гц), инфракрасное излучение (1012— 3,7 1014 Гц), видимый свет (3,7 1014—7,5 1014 Гц), ультрафиолетовое излучение (7,5 1014—3 1017 Гц), рентгеновское излучение (3 1017— 3 1020 Гц) и гамма-излучение (3 102—1023 Гц) представляют собой электромагнитные волны различной частоты. Причем между соседними диапазонами резких границ нет (длина электромагнитной волны с ее частотой связана соотношением: λ = c/v, где λ — длина волны, v — частота, с— скорость света).

Электромагнитное взаимодействие (как и гравитация) является дальнодействующим, оно ощутимо на больших расстояниях от источника. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи — в мегамире, макромире и микромире.

353

Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. В то же время электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и молекул (положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны). Оно отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных): силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются свойства агрегатных состояний вещества, химических превращений, оптические явления, явления ионизации, многие реакции в мире элементарных частиц и др.

10.1.4. Слабое взаимодействие.

К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц. Поэтому с его проявлением столкнулись при открытии радиоактивности и исследовании бета-распада (см. 8.1.5).

У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Создавалось впечатление, что в этом распаде как будто нарушается закон сохранения энергии, что часть энергии куда-то исчезает. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она — нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино».

Но предсказание нейтрино — это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами, но было известно, что внутри ядер нет таких частиц. Как же они возникали? Выяснилось, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино. Какие же силы вызывают такой распад? Анализ показал, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой, которой соответствует некоторое «слабое взаимодействие».

Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного. Там, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительные расстояния. Радиус слабого

354

взаимодействия очень мал (10-16 см). Потому оно не может влиять не только на макроскопические, но даже на атомные объекты и ограничивается субатомными частицами. Кроме того, по сравнению с электромагнитным и сильным взаимодействиями слабое взаимодействие протекает чрезвычайно медленно.

Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие играет в природе очень важную роль. Оно является составной частью термоядерных реакций на Солнце, звездах, обеспечивая синтез пульсаров, взрывов сверхновых звезд, синтез химических элементов в звездах и др.

Теория слабого взаимодействия была создана в конце 1960-х гг. (см. 10.3.3). Создание этой теории явилось крупным шагом на пути к единству физики.

10.1.5. Сильное взаимодействие.

Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий — сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, — Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием (при существенном участии и слабого взаимодействия). Но и человек научился вызывать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.

К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация слишком слаба и не может это обеспечить; очевидно, необходимо какое-то взаимодействие, причем более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено и получило название «сильное взаимодействие».

Выяснилось, что, хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, за пределами ядра оно не ощущается. Сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом раз-

355

мерами ядра, т.е. примерно 10-13 см. Главная функция сильного взаимодействия в природе — создание прочной связи между нуклонами (протонами и нейронами) в ядрах атомов. При этом столкновение ядер или нуклонов, обладающих высокими энергиями, приводит к разнообразным ядерным реакциям, в том числе реакции термоядерного синтеза на Солнце, которая является основным источником энергии на Земле.

Вместе с тем выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы.

Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился только в начале 1960-х гг., когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков (см. 10.3.2).

Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой — малого радиуса (сильное и слабое). Мир физических процессов развертывается в границах этих двух полярностей и воплощает единство предельно малого и предельно большого — микромира и мегамира, элементарной частицы и всей Вселенной.

10.1.6. Проблема единства физики.

Познание есть обобщение действительности, и поэтому цель науки — поиск единства в природе, связывание разрозненных фрагментов знания в единую картину. Для того чтобы создать такую единую систему, нужно открыть глубинное связующее звено между различными отраслями знания. Поиск таких связей — одна из главных задач научного исследования. Всякий раз, когда удается установить такие новые связи, значительно углубляется понимание окружающего мира, формируются новые способы познания, которые указывают путь к не известным ранее явлениям.

356

Установление глубинных связей между различными областями природы — это одновременно и синтез знания, и новый метод, направляющий научные исследования по непроторенным дорогам. Так, выявление Ньютоном связи между притяжением тел в земных условиях и движением планет ознаменовало собой рождение классической механики, на основе которой построена технологическая база современной цивилизации. Установление связи термодинамических свойств газа с хаотическим движением молекул поставило на прочную основу атомно-молекулярную теорию вещества. В середине прошлого столетия Максвелл создал единую электромагнитную теорию, охватившую как электрические, так и магнитные явления. Затем в 1920-х гг. Эйнштейн предпринимал попытки объединить в единой теории электромагнетизм и гравитацию.

Но к середине XX в. положение в физике радикально изменилось: были открыты два новых фундаментальных взаимодействия — сильное и слабое. При создании единой физики приходится считаться уже не с двумя, а с четырьмя фундаментальными взаимодействиями. Это несколько охладило пыл тех, кто надеялся на быстрое решение проблемы единства физики. Однако сам замысел под сомнение всерьез не ставился.

В современной теоретической физике господствует точка зрения, что все четыре (или хотя бы три) взаимодействия представляют собой явления одной природы и может быть найдено их единое теоретическое описание. Перспектива создания единой теории мира физических элементов (на основе одного-единственного фундаментального взаимодействия) — высший идеал современной физики. Это главная мечта физиков. Но долгое время она оставалась лишь мечтой, и очень неопределенной.

Однако во второй половине XX в. появились предпосылки осуществления мечты и уверенность, что это дело отнюдь не отдаленного будущего. Похоже, что вскоре она вполне может стать реальностью. Решающий шаг на пути к единой теории был сделан в 1960—1970-х гг. с созданием сначала теории кварков, а затем и теории электрослабого взаимодействия. Появились основания считать, что мы стоим на пороге более могущественного и глубокого объединения, чем когда-либо ранее. Среди физиков зреет убеждение, что начинают вырисовываться контуры единой теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий — Великого объединения. А там не за горами и единая теория всех фундаментальных взаимодействий — Супергравитация.

357

10.2. Классификация элементарных частиц

10.2.1. Характеристики субатомных частиц.

В XX в., особенно в его второй половине, был открыт новый глубинный пласт структурной организации материи — мир элементарных частиц. Это название не является, однако, точным. Под элементарной частицей в точном значении понимают далее неразложимые «кирпичики» материи, из которых складывается ее структурная организация. На самом же деле большинство из открытых частиц оказались системными образованиями, состоящими из еще более элементарных частиц. Поэтому правильнее сказать, что «мир элементарных частиц — это особый уровень организации материи — субъядерная материя, из форм которой структурируются ядра и атомы вещества, физические поля. Но поскольку термин «элементарные частицы» устоялся и широко употребляется, мы будем использовать его в значении «субъядерная материя».

Изучение элементарных частиц показало, что они рождаются и уничтожаются при взаимодействии с другими элементарными частицами. Кроме того, они могут спонтанно распадаться. Все эти преобразования частиц (распад, рождение, уничтожение) реализуются через последовательные акты поглощения и испускания частиц.

Свойства элементарных частиц многообразны. Так, каждой частице соответствует своя античастица, отличающаяся от нее лишь знаком заряда. Для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (например, фотон). Каждая элементарная частица характеризуется собственным набором значений определенных физических величин. К таким величинам относятся: масса, электрический заряд, спин, время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, лептонный заряд, барионный заряд и др.

Общие характеристики всех частиц: масса, время жизни, спин. Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми массами. Электрон — самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из полученных в ускорителях элементарных частиц (Z-бозон) обладает массой, в 200 000 раз большей массы электрона.

358

Важная характеристика частицы — спин — собственный момент импульса частицы. Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин 1/2, а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0,3/2,2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частица со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 720° и т.д. Частица со спином 2 (гипотетический гравитон) принимает прежнее положение через пол-оборота (180°). В зависимости от спина все частицы делятся на две группы: бозоны — частицы с целыми спинами 0, 1 и 2; фермионы — частицы с полуцелыми спинами (1/2, 3/2). Частицы со спином более 2, возможно, вообще не существуют.

Частицы характеризуются и временем жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы — это электрон, протон, фотон и нейтрино. (До конца пока не решен вопрос о стабильности протона. Возможно, он распадается за t = 1031 лет.) Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 мин. Все остальные известные частицы нестабильны; время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10-24 с. Самые нестабильные частицы резонансы. Время их жизни 10-22—10-24 с.

Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения, устанавливающие равенство между определенными комбинациями величин, характеризующих начальное и конечное состояния системы. Арсенал законов сохранения в квантовой физике больше, чем в классической физике. Он пополнился законами сохранения различных четностей (пространственной, зарядовой), зарядов (лептонного, барионного и др.), внутренних симметрий, свойственных тому или иному типу взаимодействий. При этом чем интенсивнее взаимодействие, тем больше ему отвечает законов сохранения, т.е. тем более оно симметрично. В квантовой физике законы сохранения всегда являются законами запрета. Но если какой-то процесс разрешен законами сохранения, то он обязательно происходит реально.

Вершиной развития представлений о законах сохранения в квантовой физике является концепция спонтанного нарушения симметрии, т.е. существования устойчивых асимметричных решений для некоторых типов задач. В 1960-х гг. экспериментально было подтверждено так называемое нарушение комбинированной

359

четкости. Иначе говоря, обнаружилось, что в микромире имеются абсолютные различия между частицами и античастицами, между «правым» и «левым», между прошлым и будущим (стрела времени, или необратимость, микропроцессов, а не только макропроцессов).

Выделение и познание характеристик отдельных субатомных частиц — важный, но только начальный этап познания их мира. На следующем этапе нужно еще понять, какова роль каждой отдельной частицы, каковы ее функции в структуре материи.

Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие преимущественно в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы — переносчики взаимодействий.

Рассмотрим свойства этих основных типов частиц.

10.2.2. Лептоны.

Лептоны ведут себя как точечные объекты, не обнаруживая внутренней структуры даже при сверхвысоких энергиях. Они, по-видимому, являются элементарными (в собственном смысле этого слова) объектами, т.е. они не состоят из каких-то других частиц. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2.

Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон — это первая из открытых элементарных частиц. Электрон — носитель наименьшей массы и наименьшего электрического заряда (не считая кварков) в природе.

Другой хорошо известный лептон — нейтрино. Нейтрино наряду с фотонами являются наиболее распространенными частицами во Вселенной. Вселенную можно представить безбрежным фотонно-нейтринным океаном, в котором изредка встречаются острова атомов. Но, несмотря на такую распространенность нейтрино, изучать их очень сложно. Как мы уже отмечали, нейтрино почти неуловимы, обладают огромной проникающей способностью, особенно при низких энергиях. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино — это некие «призраки» физического мира. С одной стороны, это усложняет их детектирование, а с другой – создает возможность изучения внутреннего строения звезд, ядер галактик, квазаров и др.

360

Одна из интересных страниц истории изучения нейтрино связана с вопросом о его массе: имеет или не имеет нейтрино массу покоя. Теория допускает, что в отличие от фотона нейтрино может иметь небольшую массу покоя. Если нейтрино действительно обладает массой покоя (по оценкам, от 0,1 эВ до 10 эВ), то это влечет за собой фундаментальные следствия в теории Великого объединения, космологии, астрофизике. Длящаяся уже почти 60 лет «погоня» физиков за массой неуловимой частицы, похоже, подходит к концу. Есть основания предполагать, что на новых экспериментальных установках (Япония, Италия) в ближайшие годы вопрос будет решен окончательно.

Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Мюон — одна из первых известных нестабильных субатомных частиц, открытая в 1936 г. Во всех отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. Проникая в вещество, мюоны взаимодействуют с ядрами и электронами атомов и образуют необычные соединения. Положительный мюон, присоединяя к себе электрон, образует систему, аналогичную атому водорода – мюоний, химические свойства которого во многом подобны свойствам водорода. А отрицательный мюон может замещать на электронной оболочке один из электронов, образуя так называемый мезоатом. В мезоатоме мюоны расположены в сотни раз ближе к ядру, чем электроны. Это позволяет использовать мезоатом для изучения формы и размеров ядра.

В конце 1970-х гг. был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название тау-лептон. Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона, но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.

Значительно расширился список лептонов в 1960-х гг. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и may-нейтрино. Таким образом, общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов – шести. Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно 12. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные – в слабом и электромагнитном (см. таблицу).

361

10.2.3. Адроны.

Если лептонов всего 12, то адронов насчитываются сотни. Подавляющее большинство из них – резонансы, т.е. крайне нестабильные частицы. Тот факт, что адронов существует сотни, наводит на мысль, что адроны сами построены из более мелких частиц.

Все адроны встречаются в двух разновидностях – электрически заряженные и нейтральные. Наиболее известны и широко распространены такие адроны, как нейтрон и протон. Остальные адроны быстро распадаются. Адроны подразделяются на два класса. Это – класс барионов (тяжелые частицы) (протон, нейтрон, гипероны и барионные резонансы) и большое семейство более легких мезонов (мюоны, бозонные резонансы и др.).

Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в опытах на ускорителях. Открытие множества разнообразных адронов в 1950-1960-х гг. крайне озадачило физиков. Но со временем частицы удалось классифицировать по массе, заряду и спину. Постепенно стала выстраиваться более или менее четкая картина. Появились конкретные идеи о том, как систематизировать хаос эмпирических данных, раскрыть тайну адронов в целостной научной теории. Решающий шаг был сделан в 1963 г., когда была предложена кварковая модель адронов.

10.2.4. Частицы — переносчики взаимодействий.

Перечень известных частиц не исчерпывается лептонами и адронами, образующими строительный материал вещества. Есть еще один тип частиц, которые не являются строительным материалом материи, а непосредственно обеспечивают фундаментальные взаимодействия, т.е. образуют своего рода «клей», не позволяющий материи распадаться на части.

362

Переносчиком электромагнитного взаимодействия выступает фотон. Теория электромагнитного взаимодействия представлена квантовой электродинамикой (см. 10.3.1).

Глюоны (их всего восемь) — переносчики сильного взаимодействия между кварками. Последние благодаря глюонам связываются парами или тройками (см. 10.3.2 и 10.3.4).

Переносчиками слабого взаимодействия являются три частицы — W± и Z° -бозоны (см. 10.3.3). Они были открыты лишь в 1983 г. Радиус слабого взаимодействия чрезвычайно мал, поэтому его переносчиками должны быть частицы с большими массами покоя. В соответствии с принципом неопределенности время жизни частиц с такой большой массой покоя должно быть чрезвычайно коротким — всего лишь около 10-26 с.

Высказывается мнение, что возможно существование и переносчика гравитационного поля — гравитона (см. 10.1.2). Подобно фотонам, гравитоны движутся со скоростью света; следовательно, это частицы с нулевой массой покоя. Но в то время как фотон имеет спин 1, спин гравитона равен 2. Это важное различие определяет направление силы: при электромагнитном взаимодействии одноименно заряженные частицы (электроны) отталкиваются, а при гравитационном — все частицы притягиваются друг к другу.

Особенно важно то, что каждая группа этих переносчиков взаимодействий характеризуется своими специфическими законами сохранения. А каждый закон сохранения может быть представлен как проявление определенной внутренней симметрии уравнений поля (движения). Это обстоятельство используется для построения единой теории фундаментальных взаимодействий.

Классификация частиц на адроны, лептоны и переносчики взаимодействий исчерпывает мир известных нам субъядерных частиц. Каждый вид частиц играет свою роль в формировании структуры материи, Вселенной.

363

10.3. Теории элементарных частиц

10.3.1. Квантовая электродинамика.

Квантовая механика позволяет описывать движение элементарных частиц, но не их порождение или уничтожение, т.е. применяется лишь для описания систем с неизменным числом частиц. Обобщением квантовой механики является квантовая теория поля — это теория систем с бесконечным числом степеней свободы (физических полей), учитывающая требования и квантовой механики, и теории относительности. Потребность в такой теории порождается квантово-волновым дуализмом, существованием волновых свойств у всех частиц. В квантовой теории поля взаимодействие представляют как результат обмена квантами поля, а полевые величины объявляются операторами, которые связывают с актами рождения и уничтожения квантов поля, т.е. частиц.

В середине XX в. была создана теория электромагнитного взаимодействия — квантовая электродинамика (КЭД). Это продуманная до мельчайших деталей и оснащенная совершенным математическим аппаратом теория взаимодействия электромагнитного поля и заряженных частиц, а также заряженных частиц (прежде всего, электронов или позитронов) между собой. Эта теория удовлетворяет основным принципам как квантовой теории, так и теории относительности.

В КЭД для описания электромагнитного взаимодействия использовано понятие виртуального фотона, который «видят» только заряженные частицы, претерпевающие рассеяние. Если в классическом описании электроны представляются в виде твердого точечного шарика, то в КЭД окружающее электрон электромагнитное поле рассматривается как облако виртуальных фотонов, которое неотступно следует за электроном, окружая его квантами энергии. Фотоны возникают и исчезают очень быстро, а электроны движутся в пространстве не по вполне определенным траекториям. Еще можно тем или иным способом определить начальную и конечную точки пути — до и после рассеяния, но сам путь в промежутке между началом и концом движения остается неопределенным.

Рассмотрим, например, акт испускания (виртуального) фотона электроном. После того как электрон испускает фотон, тот порождает (виртуальную) электрон-позитронную пару, которая может аннигилировать с образованием нового фотона. Последний может поглотиться исходным электроном, но может породить новую пару и т.д. Таким образом, электрон покрывается облаком виртуальных фотонов, электронов и позитронов, находящихся в состоянии динамического равновесия.

364

В КЭД взаимодействие электромагнитного поля и заряженной частицы предстает в виде испускания и поглощения частицей виртуальных фотонов. А взаимодействие между заряженными частицами толкуется как результат их обмена фотонами: каждая заряженная частица испускает фотоны, которые затем поглощаются другой заряженной частицей. Кроме того, КЭД рассматривает такие эффекты, которые в классической электродинамике вообще не существовали. Во-первых, это эффект рассеяния света на свете, т.е. взаимодействия фотонов между собой. С точки зрения КЭД такое рассеяние возможно благодаря взаимодействию фотонов с флуктуациями электронно-позитронного вакуума. И, во-вторых, КЭД предсказала рождение в сильных электромагнитных и гравитационных полях пар частица—античастица, среди которых может быть нуклон—антинуклон.

КЭД проверена на большом количестве очень тонких опытов. Теоретические предсказания и экспериментальные результаты проверок совпадают с высочайшей точностью — иногда до девяти знаков после запятой. Столь поразительное соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из существующих естественно-научных теорий. За создание КЭД С. Томонага, Р. Фейнман и Дж. Швингер были удостоены Нобелевской премии за 1965 г. Большой вклад в становление КЭД был внесен и нашим выдающимся физиком-теоретиком Л.Д. Ландау.

После подобного триумфа КЭД была принята как модель для квантового описания трех других фундаментальных взаимодействий. (Разумеется, полям, связанным с другими взаимодействиями, должны соответствовать иные частицы-переносчики.) В настоящее время КЭД выступает как составная часть более общей теории — единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий (см. 10.3.3).

365

10.3.2. Теория кварков.

Теория кварков — это теория строения адронов [1]. Основная идея этой теории очень проста: все адроны построены из более мелких частиц — кварков. Кварки несут дробный электрический заряд, который составляет либо —1/3, либо +2/3 заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин 1/2, следовательно, относятся к фермионам. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все известные в 1960-е гг. адроны, ввели три сорта (аромата) кварков: и (от up — верхний), d (от down — нижний) и s (от strange — странный).

1 Термин «кварк» выбран совершенно произвольно. В романе Дж. Джойса «Поминки по Финнегану» герою снится сон, в котором мечущиеся над бурным морем чайки кричат резкими голосами: «Три кварка для мистера Марка!» Такой подход вполне отвечает чрезвычайно абстрактному характеру понятий современных физических теорий.

Кроме того, каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, служащим источником глюонного поля. Его назвали цветом [1]. Если электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, то более сложное глюонное поле создается тремя различными цветовыми зарядами. Каждый кварк «окрашен» в один из трех возможных цветов, которые (совершенно произвольно) назвали красным, зеленым и синим. И соответственно, антикварки бывают антикрасные, антизеленые и антисиние.

1 Как и в случае с термином «кварк», термин «цвет» здесь выбран произвольно и никакого отношения к обычному цвету не имеет.

Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк — антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы — барио-ны; наиболее известные барионы — нейтрон и протон. Например, протон состоит из двух u- и одного d-кварка (uud), а нейтрон — из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Более легкие пары кварк — антикварк образуют частицы, получившие название мезоны. Например, положительный пи-мезон состоит из u-кварка и d¯ -кварка, а отрицательный пи-мезон состоит из u¯- кварка и d-кварка. Чтобы это «трио» кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий «клей». А «цветовые заряды» кварков в совокупности компенсируются так, что в результате адроны оказываются «белыми» (или бесцветными).

Оказалось, что взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным и почему кварки в свободном состоянии не были обнаружены. Когда протон «прилипает» к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть энергии тратится на прочное «склеивание» трио кварков, а небольшая — на скрепление двух трио кварков друг с другом.

366

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков [1]. Но в 1970-е гг. были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Это нанесло чувствительный удар по первому варианту теории кварков, поскольку в нем не оказалось места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны. Проблему удалось решить за счет введения трех новых ароматов. Они получили названия charm (очарование), или с; b (от beauty — красота или прелесть) и t (от top — верхний).

Итак, кварки скрепляются между собой в результате сильного взаимодействия. Переносчики последнего — глюоны (цветовые заряды). Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов, носит название квантовой хромодинамики. Как квантовая электродинамика — теория электромагнитного взаимодействия, так квантовая хромодинамика — теория сильного взаимодействия (см. 10.3.4).

В настоящее время большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами — точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой [2]. В этом отношении они напоминают лептоны, и уже давно предполагается, что между этими двумя различными, но сходными по своей структуре семействами должна существовать глубокая взаимосвязь.

1 В 1969 г. удалось получить прямые физические доказательства существования кварков в серии экспериментов по рассеянию (разогнанных до высоких энергий) электронов на протонах. Эксперимент показал, что рассеяние электронов происходило так, как если бы электроны налетали на крохотные твердые вкрапления и отскакивали от них под самыми невероятными углами. Такими твердыми вкраплениями внутри протонов являются кварки.
2 Правда, у некоторых физиков (коль скоро число кварков оказывается чрезмерно большим) возникает искушение предположить, что кварки состоят из еще более мелких частиц.

Таким образом, на конец XX в. наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий) равно 48: лептонов (6 • 2) = 12 плюс кварков (б • 3) • 2 = 36. Эти 48 частиц — подлинные «кирпичики» вещества, основа материальной организации мира.

367

10.3.3. Теория электрослабого взаимодействия.

Понятия калибровочного поля и спонтанного нарушения симметрии. В 1960-е гг. в естествознании произошло выдающееся событие: два фундаментальных взаимодействия из четырех физики объединили в одно. Электромагнитное и слабое взаимодействия, казалось бы, весьма разные по своей природе, предстали как разновидности единого электрослабого взаимодействия. Картина фундаментальных взаимодействий несколько упростилась.

Теория электрослабого взаимодействия в окончательной форме была создана двумя независимо работавшими физиками — С. Вайн-бергом и А. Саламом. Составной частью этой теории является теория слабого взаимодействия, которая разрабатывалась одновременно и в тесной связи с теорией электрослабого взаимодействия.

Создание теории электрослабого взаимодействия оказало глубокое и решающее влияние на развитие физики элементарных частиц во второй половине XX в. Главная идея этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля, ключом к которой является понятие симметрии. Здесь следует особо отметить, что одна из фундаментальных идей физики второй половины XX в. — это убеждение, что все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддерживать в природе некий набор абстрактных симметрий. Но, казалось бы, какое отношение имеет симметрия к фундаментальным взаимодействиям? Ведь, на первый взгляд, утверждение о существовании подобной связи выглядит надуманным, умозрительным, искусственным. Рассмотрим этот вопрос детальнее.

Прежде всего, что понимается под симметрией? Принято считать, что предмет симметричен, если он остается неизменным после той или иной операции по его преобразованию. Иначе говоря, в самом общем смысле симметрия означает инвариантность структуры объекта относительно его преобразований. По отношению к физике это означает, что симметрия — это инвариантность физической системы (законов, ее характеризующих, и соответствующих величин) относительно некоторых определенных преобразований. (Например, законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов отрицательными, и наоборот; а закрытые механические системы симметричны относительно времени и т.д.)

368

Отсюда следует, что физическая система в своих существенных свойствах определяется набором (группой) его симметрических преобразваний. Если группе преобразований соотнести некоторое пространство, наделенное соответствующей преобразованиям симметрической структурой, то сам объект можно представить в качестве элемента такого пространства (поскольку преобразования объекта являются в таком случае преобразованиями пространства). При этом исследование симметрий объекта сводится к изучению инвариантных характеристик данного пространства.

Математическим средством анализа симметрических преобразований является теория групп [1]. Так, для решения конкретных задач применяется следующий подход. Прежде всего, уравнением задается некоторое векторное пространство. Затем исследуется группа инвариантных преобразований такого уравнения. Каждому элементу группы может быть соотнесено некоторое преобразование в векторном пространстве решений этого уравнения. Знание соотношений между элементами группы и такого рода преобразованиями позволяет во многих случаях находить решения уравнения. А значит и определять существование реальных симметрических свойств того объекта, с которым может быть соотнесено данное пространство.

1 Под группой в самом общем смысле в математике понимают непустое множество, на котором задана некоторая бинарная алгебраическая операция, определена элементарная единица этого множества и обратный ей элемент. (В частности, в геометрии группой называется совокупность всех ортогональных (зеркальных) преобразований, совмещающих фигуру саму с собой.) Теория групп как самостоятельная область математики оформилась на рубеже XIX— XX вв. (М.С. Ли и др.) на базе идей, сложившихся в XIX в. в теории решения алгебраических уравнений в радикалах (Н. Абель, Э. Галуа), «Эрлангенская программа» Ф. Клейна, теория чисел (К. Гаусс и др.).

В становлении релятивистской квантовой теории большую роль играло изучение симметрий уравнений теории поля. В самом общем плане такие симметрии делятся на внешние, связанные со свойствами пространства-времени, и внутренние, связанные со свойствами элементарных частиц. Примером внешней симметрии является симметрия законов квантовых объектов относительно пространственной инверсии (Р), обращения времени (Т) и зарядного сопряжения (С), т.е. замены частиц на соответствующую античастицу. Была доказана важная «теорема СРТ», согласно которой уравнения квантовой теории поля не меняют своего вида, если одновременно провести следующие преобразования: заме-

369

нить частицу на античастицу, осуществить пространственную инверсию (заменить координату частицы r на —r), обратить время (заменить t на —t). Обнаружение в экспериментах отдельных нарушений этой теоремы для слабых взаимодействий является предпосылкой для представления о возможности вообще спонтанного нарушения симметрий в микромире.

Но, кроме внешних, существуют еще и внутренние симметрии, связанные со свойствами самих частиц, а не со свойствами пространства-времени. Как мы уже отмечали, каждая группа частиц характеризуется прежде всего своими специфическими законами сохранения. А каждый из законов сохранения рассматривается как проявление определенной внутренней симметрии уравнений поля. Подключая те или иные внутренние симметрии, можно как бы осуществлять переход от описания характеристик одной частицы к описанию характеристик другой. Так, «отключив» в уравнениях поля законы сохранения, присущие электромагнитному и слабому взаимодействиям, мы приходим к полному отождествлению протона и нейрона, они становятся неотличимыми друг от друга.

Среди внутренних симметрий уравнений поля, соответствующих законам сохранения, особую роль играют калибровочные симметрии. Несколько слов о калибровочных симметриях вообще. Система обладает калибровочной симметрией, если ее существенные свойства остаются неизменными при изменении уровня, масштаба или значения некоторой физической величины. Например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты; напряжение — от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин и др.

Калибровочные преобразования симметрий могут быть глобальными и локальными. Глобальные преобразования изменяют систему в целом, во всем ее пространственно-временном объеме. В квантовой физике это выражается в том, что во всех точках пространства-времени значения волновой функции подвергаются одному и тому же изменению. Локальными калибровочными преобразованиями называются преобразования, которые изменяются от точки к точке. В таком случае волновая функция в каждой точке характеризуется своей особой фазой, которой соответствует определенная частица.

370

Анализ показал, что в квантовой теории поля глобальное калибровочное преобразование можно превратить в локальное. В этом случае в уравнениях движения с необходимостью появляется слагаемое, учитывающее взаимодействие частиц. Это значит, что для связи и поддержания симметрии в каждой точке пространства необходимы новые силовые поля — калибровочные. Другими словами, калибровочная симметрия предполагает существование векторных калибровочных полей, квантами которых частицы обмениваются, реализуя данное взаимодействие. Так, силовые поля можно рассматривать как средство, с помощью которого в природе создаются присущие ей локальные калибровочные симметрии. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что на ее основе теоретически моделируются все четыре фундаментальных взаимодействия, рассматриваемые как калибровочные поля.

Простейшей калибровочной симметрией обладает электромагнетизм. Иначе говоря, электромагнитное поле — не просто определенный тип силового поля, существующего в природе, а проявление простейшей (совместимой с принципами специальной теории относительности) калибровочной симметрии, в которой калибровочные преобразования соответствуют изменениям потенциала от точки к точке.

Учение об электромагнетизме складывалось столетиями на основе кропотливых эмпирических исследований, но оказывается, что результаты этих исследований можно вывести чисто теоретически, основываясь на знании лишь двух симметрий — простейшей локальной калибровочной симметрии и так называемой симметрии Лоренца — Пуанкаре специальной теории относительности. Основываясь только на существовании этих двух симметрий, не проведя ни единого эксперимента по электричеству и магнетизму, можно построить уравнения Максвелла, вывести все законы электромагнетизма, доказать существование радиоволн, возможность создания динамо-машины и т.д.

Для представления поля слабого взаимодействия как калибровочного прежде всего необходимо было установить точную форму соответствующей калибровочной симметрии. Дело в том, что симметрия слабого взаимодействия гораздо сложнее, чем электромагнитного, поскольку само слабое взаимодействие является более сложным. Это иллюстрируется рядом обстоятельств. Так, в слабом взаимодействии нередко участвуют частицы по крайней мере четырех различных типов (при распаде нейтрона, например, нейтрон, протон, электрон и нейтрино). Кроме того, действие cлабых сил приводит к изменению их природы (превращению одних частиц в другие за счет слабого взаимодействия). Напротив, электромагнитное взаимодействие не изменяет природы участвующих в нем частиц.

371

Выяснилось, что для поддержания симметрии слабого взаимодействия необходимы три новых силовых поля в отличие от единственного электромагнитного поля. Значит, должны существовать три новых типа частиц — переносчиков взаимодействия, по одному для каждого поля. Они называются тяжелыми векторными бозонами со спином 1 и являются переносчиками слабого взаимодействия. Частицы W+ и W- являются переносчиками двух из трех связанных со слабым взаимодействием полей. Третье поле соответствует электрически нейтральной частице-переносчику, получившей название Z° -частицы. Существование Z° -частицы означает, что слабое взаимодействие может не сопровождаться переносом электрического заряда.

В создании теории электрослабого взаимодействия ключевую роль сыграло понятие спонтанного нарушения симметрии. Некоторые физические системы, обладающие определенной симметрией, могут лишаться ее в тех случаях, когда симметрическое состояние энергетически невыгодно (оно не обладает минимумом энергии), а энергетически выгодное состояние не обладает исходной симметрией и неоднозначно. Эта неоднозначность математически выражается в том, что уравнение движения данной физической системы представлено не одним решением, а серией решений, не обладающих исходной симметрией. В конце концов из этой серии решений реализуется какое-либо одно. Ведь не всякое решение задачи обязано обладать всеми свойствами его исходного уровня. И потому частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях могут оказаться на самом деле одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях. Таким образом идея спонтанного нарушения симметрии Вайнберга и Салама объединила электромагнетизм и слабое взаимодействие в единую теорию калибровочного поля.

В теории Вайнберга — Салама представлено всего четыре поля: электромагнитное и три поля, соответствующие слабым взаимодействиям. В этой теории фотоны и тяжелые векторные бозоны (W± и Z°) имеют общее происхождение и тесно связаны друг с другом. Кроме того, было введено постоянное на всем простран-

372

стве скалярное поле (так называемое поле Хиггса), с которым фотоны и векторньге бозоны взаимодействуют по-разному, что и определяет различие их масс. Кванты скалярного поля представляют собой массивные элементарные частицы с нулевым спином. Их называют хиггсовскими (по имени физика П. Хиггса, предположившего их существование). Число таких хиггсовских бозонов может достигать нескольких десятков [1].

1 Недавно было сообщено об экспериментальном обнаружении хиггсовских бозонов. В настоящее время результаты этого эксперимента проверяются.

Почему же электромагнитное и слабое взаимодействия обладают столь непохожими свойствами? Теория Вайнберга — Салама объясняет эти различия нарушением симметрии. Если бы симметрия не нарушалась, то оба взаимодействия были бы сравнимы по величине. Первоначально W- и Z-кванты не имеют массы, но из-за нарушения симметрии некоторые частицы Хиггса сливаются с W- и Z-частицами, наделяя их массой. А фотон не участвует в этом процессе слияния с частицами Хиггса и потому не обладает массой покоя. Нарушение симметрии влечет за собой резкое уменьшение слабого взаимодействия, поскольку оно непосредственно связано с массами W- и Z-частиц. Можно сказать, что слабс взаимодействие столь мало потому, что W- и Z -частицы очень массивны.

Лептоны редко сближаются на столь малые расстояния (r = 10-18 м), на которых становится возможным обмен тяжелыми векторными бозонами. Но при больших энергиях (более 100 ГэВ), когда частицы W и Z могут свободно рождаться, обмен W- и Z-бозонами осуществляется столь же легко, как и обмен фотонами (безмассовыми частицами), разница между фотонами и бозонами стирается. В этих условиях должна существовать полная симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием — электрослабое взаимодействие.

Наиболее убедительная экспериментальная проверка новой теории заключалась в подтверждении существования гипотетических W- и Z-частиц. Их открытие в 1983 г. стало возможным только с созданием очень мощных ускорителей новейшего типа и означало торжество теории Вайнберга — Салама. Было окончательно доказано, что электромагнитное и слабое взаимодействия являются двумя компонентами единого электрослабого взаимодействия.

373

В 1979 г. С. Вайнбергу, А. Саламу и Ш. Глэшоу была присуждена Нобелевская премия за создание теории электрослабого взаимодействия.

10.3.4. Квантовая хромодинамика.

Следующий шаг на пути познания фундаментальных взаимодействий — создание теории сильного взаимодействия. Для этого необходимо придать черты калибровочного поля сильному взаимодействию. Последнее можно представлять как результат обмена глюонами, который обеспечивает связь кварков (попарно или тройками) в адроны (см. 10.3.2). Обмен глюонами изменяет «цвет» кварков, но оставляет неизменными остальные характеристики, т.е. сохраняет их сорт («аромат»).

Теория сильного взаимодействия создавалась по той же схеме, что и теория слабого взаимодействия. Требование локальной калибровочной симметрии (т.е. инвариантности относительно изменений «цвета» в каждой точке пространства) приводит к необходимости введения компенсирующих силовых полей. Всего требуется восемь новых компенсирующих силовых полей. Частицами-переносчиками этих полей являются глюоны. Таким образом, из теории следует, что должно быть целых восемь различных типов глюонов.

Как и фотоны, глюоны имеют нулевую массу покоя и спин 1. Глюоны также имеют различные цвета, но не чистые, а смешанные; глюоны состоят из «цвета» и «антицвета» (например, сине-антизеленый). Поэтому испускание или поглощение глюона сопровождается изменением цвета кварка («игра цветов»). Например, красный кварк, теряя красно-антисиний глюон, превращается в синий кварк, а зеленый кварк, поглощая сине-антизеленый глюон, превращается в синий кварк.

С точки зрения квантовой хромодинамики (квантовой теории цвета) сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать определенную абстрактную симметрию природы: сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей — кварков [1]. В протоне, например, три кварка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Однако та-

374

кие изменения носят не произвольный характер, а подчиняются жесткому правилу: в любой момент времени «суммарный» цвет трех кварков должен представлять собой белый свет, т.е. сумму «красный + зеленый + синий». Это распространяется и на мезоны, состоящие из пары кварк — антикварк. Поскольку антикварк характеризуется антицветом, такая комбинация заведомо бесцветна («белая»), например красный кварк в комбинации с антикрасным кварком образует бесцветный («белый») мезон.

1 Лептоны, фотоны и промежуточные бозоны (W- и Z-частицы) не несут цвета, а поэтому не участвуют в сильном взаимодействии).

Квантовая хромодинамика великолепно объясняет правила, которым подчиняются все комбинации кварков, взаимодействие глюонов между собой (глюон может распадаться на два глюона или два глюона слиться в один — поэтому и появляются нелинейные члены в уравнении глюонного поля), взаимодействие кварков и глюонов по типу КЭД (кварки покрыты облаками виртуальных глюонов и кварк-антикварковых пар), сложную структуру адрона, состоящего из «одетых» в облака кварков, и др.

Возможно, пока преждевременно оценивать квантовую хромодинамику как окончательную и завершенную теорию сильног взаимодействия, но экспериментальный статус ее достаточно прочен и достижения многообещающи.

10.3.5. На пути к Великому объединению.

С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на построение единой теории всех (или хотя бы трех из четырех) фундаментальных взаимодействий. Модели, единым образом описывающие три (сильное, слабое, электромагнитное) из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения.

Опыт успешного объединения слабого и электромагнитного взаимодействий на основе идеи калибровочных полей подсказал возможные пути дальнейшего развития принципа единства физики, объединения фундаментальных физических взаимодействий. Один из них основан на том удивительном факте, что константы взаимодействия электрослабого и сильного взаимодействий при переходе к малым расстояниям (т.е. к высоким энергиям) становятся равными друг другу при одной и той же энергии. Эту энергию называли энергией объединения. Она равна примерно 1014—1016 ГэВ; ей соответствует расстояние =10-29 см.

375

При энергии более 1014—1016 ГэВ, или на расстояниях менее 10-29 см, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия описываются единой константой, т.е. имеют общую природу. Кварки и лептоны здесь практически не различимы, а глюоны, фотоны и векторные бозоны W± и Z° являются квантами калибровочных полей с единой калибровочной симметрией. Ведь если электрослабое и сильное взаимодействия в действительности представляют собой лишь две стороны Великого единого взаимодействия, то последнему также должно соответствовать калибровочное поле с некоторой сложной симметрией. Она должна быть достаточно общей, способной охватить все калибровочные симметрии, содержащиеся и в квантовой хромодинамике, и в теории электрослабого взаимодействия. В то же время ее спонтанное нарушение должно приводить к разделению электрослабого и сильного взаимодействия. Отыскание такой симметрии — главная задача на пути создания единой теории электрослабого и сильного взаимодействия.

Существуют разные подходы, порождающие конкурирующие варианты теорий Великого объединения. Тем не менее все эти гипотетические варианты Великого объединения имеют ряд общих особенностей. Во-первых, во всех гипотезах кварки и лептоны — носители электрослабого и сильного взаимодействий — включаются в единую теоретическую схему. До сих пор они рассматривались как совершенно различные объекты. Во-вторых, привлечение абстрактных калибровочных симметрии приводит к открытию новых типов полей, обладающих новыми свойствами, например способностью превращать кварки в лептоны.

В простейшем варианте теории Великого объединения для превращения кварков в лептоны требуется 24 поля, причем 12 из квантов этих полей уже известны: фотон, две W-частицы, Z°-частица и восемь глюонов. Остальные 12 квантов — новые сверхтяжелые промежуточные бозоны, объединенные общим названием Х- и Y-частицы (обладающие цветом и электрическим зарядом). Эти кванты соответствуют полям, поддерживающим более широкую калибровочную симметрию и перемешивающим кварки с лептонами. Следовательно, Х- и Y-частицы могут превращать кварки в лептоны (и наоборот).

О прямом экспериментальном обнаружении Х- и Y-бозонов речь пока не идет. Ведь теории Великого объединения имеют дело с энергией частиц выше 1014 ГэВ. Это очень высокая энергия. Трудно сказать, когда удастся получить частицы столь высоких энергий в уско-

376

рителях. В обозримом будущем такая возможность не предусматривается. Современные ускорители с трудом достигают энергии 100 ГэВ. И потому основной сферой проверки теорий Великого объединения являются ее следствия (для космологии и для низкоэнергетических областей). Так, без теорий Великого объединения невозможно описать раннюю стадию эволюции Вселенной, когда температура первичной плазмы достигала 10 27К. Именно в таких условиях могли рождаться и аннигилировать сверхтяжелые бозоны Х и Y.

Кроме того, на основе теорий Великого объединения предсказаны две важные закономерности в низкоэнергетических областях, которые могут быть проверены экспериментально. Во-первых, кварк-лептонные переходы должны вызывать распады протона. Это означает его нестабильность: время жизни протона должно составлять примерно 1031 лет. Во-вторых, неизбежным следствием этих теорий является существование магнитного монополя — стабильной и очень тяжелой (108 массы протона) частицы, несущей в себе один магнитный полюс. Экспериментальное обнаружение распада протона и магнитных монополей могло бы стать веским доводом в пользу теорий Великого объединения. На проверку этих предсказаний направлены усилия экспериментаторов. Обнаружение распада протона будет самым великим физическим экспериментом XXI в.! Но пока еще твердо установленных данных на этот счет нет.

10.3.6. Супергравитация.

Но объединение трех из четырех фундаментальных взаимодействий — это еще не единая теория в полном смысле слова. Ведь остается еще гравитация. Теоретические схемы, в рамках которых объединяются все известные типы взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное), называются моделями супергравитации. Теоретические модели, в которых объединяются все четыре взаимодействия (супергравитация) базируются на идее суперсимметрии, т.е. такого перехода от глобальной калибровочной симметрии к локальной, который бы позволил переходить от фермионов (носителей субстрата материи) к бозонам (носителям структуры материи, переносчикам взаимодействий), и наоборот.

Поэтому супергравитация — это теория не только переносчиков всех фундаментальных взаимодействий, но и частиц, из которых состоит вещество (кварков и лептонов). В супергравитации все они объединяются в единой теории материи (вещества и поля). Одна из теоретических моделей сводит воедино 70 частиц со спином 0; 56 частиц со спином 1/2; 28 частиц со спином 1; 8 частиц по спином 3/2 (их назвали гравитино) и 1 частица со спином 2 (гравитон). Все эти частицы образовались в первые мгновения нашей Вселенной.

377

Супергравитация — это кульминация теоретической физики, та самая общая и абстрактная теория, которая венчает собой длительный и напряженный, а часто и драматический поиск единства физики. На уровне суперсимметрии появляется необходимость обоснования абстрактных симметрий калибровочных полей. Иначе говоря, вновь возникает необходимость обоснования физики геометрией (см. 9.2.3), в частности, представления калибровочных полей как геометрических симметрий, связанных с дополнительными измерениями пространства. Это привело к возрождению идей многомерности нашего мира.

Появляются модели суперсимметрии, в которых наш мир рассматривается как 11-мерное (или 10-мерное, или даже 26-мерное) пространство-время. Из 11 измерений только четыре проявляются в нашем мире, а остальные 7 остались скрученными, замкнутыми. Эти «скрытые измерения» существуют в масштабе r =10-33 см. Для проникновения в такие масштабы необходима энергия, сравнимая со всей энергией нашей Галактики! Разумеется, проекты проникновения в такие мельчайшие области нашего мира в обозримом будущем для человечества нереальны. (Возможно, они нереальны и в принципе.)

Несомненным достоинством и свидетельством перспективности программы супергравитации является то, что под ее влиянием сложился новый подход к объединению фундаментальных взаимодействий — теория суперструн. В этой теории частица рассматривается как струна — колебательная система с распределенными параметрами. При низких энергиях струна ведет себя как частица, а при высоких — в описания движения струны нужно вводить параметры, характеризующие ее вибрацию. Математическая сторона теории суперструн оказывается проще, чем в стандартной теории: исчезают нежелательные бесконечности. Одно из важных космологических следствий теории суперструн — возможность множественности вселенных, в каждой из которых существует свой набор фундаментальных взаимодействий.

378

Итак, подведем некоторые итоги. Объединение фундаментальных взаимодействий по существу началось еще в XIX в. с синтеза электричества и магнетизма в теории электромагнитного поля Максвелла. Попытки синтеза гравитации и электромагнетизма, предпринятые А. Эйнштейном в «единой теории поля», не удались. Зато теоретическое объединение слабого и электромагнитного взаимодействий получило надежное подтверждение в 1983 г. благодаря экспериментальному обнаружению W- и Z-бозонов. Твердо обоснованных данных, подтверждающих Великое объединение (распад протона, существование магнитного монополя), пока нет, но их ожидают. Программа супергравитации — яркий пример того, как теория может значительно опередить практику, опыт, возможности эксперимента. Но и здесь можно ожидать косвенных эмпирических обоснований моделей супергравитации данными внегалактической астрономии, астрофизики и космологии. Таким образом, физика стоит на пороге создания единой теории материи, т.е. всех фундаментальных взаимодействий (поля) и структуры вещества. Возможно, что уже в первой половине XXI в. эта величайшая задача всей истории науки будет решена. В определенном смысле это означает конец физической науки как познания фундаментальных оснований материи.

Правда, на этом пути предстоит решить еще много серьезных задач. Так, надо убедиться в существовании ряда элементарных частиц, которые предсказываются современной теорией (прежде всего, бозонов Хиггса). Кроме того, должна быть создана квантовая теория гравитации, без которой реализация программы суперсимметрии невозможна. Только с созданием квантовой теории гравитации, по-видимому, можно будет ответить на следующие вопросы: почему наше пространство трехмерно, а время одномерно? почему существует только четыре фундаментальных взаимодействия, и именно те, которые мы имеем? почему нам дан именно такой набор элементарных частиц? чем определяется масса элементарных частиц? почему мировые константы имеют именно такие, а не иные значения? почему в природе существует элементарный электрический заряд и от чего зависит его величина? почему столь мала масса нейтрино? и др.

Многое в решении этих задач будет зависеть от возможностей эксперимента в области физики элементарных частиц. Нынешние ускорители (коллайдеры), в которых сталкиваются разгоняющиеся навстречу друг другу сгустки элементарных частиц (электроны, протоны и др.), обеспечивают энергию сталкивающихся

379

частиц около 200 ГэВ. Обсуждаются проекты ускорителей, повышающих эту энергию на 2—3 порядка. Но технические возможности здесь не беспредельны. Повышение энергии требует создания сильных энергетических полей. А этому есть свой предел, ведь очень сильные поля будут разрушать атомы любого вещества; это значит, что в таком поле ускоритель сам себя будет разрушать! Сейчас обсуждаются проекты создания ускорителей, использующих нанотехнологии, которые позволяют быстро регенерировать разрушенные сильным электромагнитным полем ячейки материала. Выполнение такой программы, если это вообще реально, — дело очень далекого будущего. Правда, остается возможность изучать космические лучи (потоки нейтрино, гравитоны и др.) с высокой энергией. Для этого нужно научиться их уверенно регистрировать. Однако не исключены и другие варианты развития физики XXI в. Наука всегда должна быть готова к революционным поворотам. И потому, например, открытие новых фундаментальных взаимодействий, субкварковых частиц и др. может потребовать кардинального пересмотра современной (релятивистской и квантовой) физики, поставить на повестку дня вопрос о создании принципиально «новой физики». Много необычного и неожиданного несет для познания физического мира та область, где Микромир оказывается связанным с Мегамиром, ультрамалое с ультрабольшим, элементарная частица со Вселенной в целом, физика с астрономией.
.

Ваш комментарий о книге
Обратно в раздел Наука