Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
123
состояла из таинственных треугольников и шестиугольников. Но, подобно периодической таблице, она предсказывала существование новых и пока ненаблюдаемых частиц. Эти частицы были найдены и обладали именно теми свойствами, которые были предсказаны.
Но дело не только в том, что элементарных частиц было слишком много, чтобы они могли быть элементарными, и не только в том, что они, судя по всему, объединялись в группы и схемы восьмеричного пути: они, кроме того, выказывали характеристические свойства сложных, структурированных систем. Они не были точечными, а обладали измеримыми размерами. Их электрические и магнитные свойства распределялись в конечном и измеримом объеме. Распределялись на чем? Более того, каждая так называемая элементарная частица обладала богатой структурой возбужденных состояний. Казалось, будто они образованы более простыми составляющими, способными вращаться или совершать колебания друг относительно друга.
В 1967 году эксперименты, проведенные в Стэнфордском университете, показали, что протон, видимо, состоит из нескольких частей, или составляющих. Их, в шутку, назвали «партонами»1 — составляющими, из которых состояли бы протоны, будь они образованы составляющими. Скоро стало ясно, что партоны и есть те самые кварки, существование которых Гелл-Манн предположил несколько лет назад.
Одно из самых больших достижений атомной физики двадцатых годов состояло в ее способности объяснить периодическую таблицу. Свойства химических элементов можно было объяснить, а в действительности, вычислить, с помощью квантово-механической теории ядерного атома. Подобным образом в семидесятых годах появилась теория квар-ковых взаимодействий. Таинственные успехи восьмеричного пути можно было объяснить с помощью новой теории «квантовой хромодинамики». Она показывала, например, что три кварка объединятся вместе, образуя протон или нейтрон. Как ни странно, эта же теория утверждает, что невозможно создать одиночный изолированный кварк. Так же как не существует веревки лишь с одним концом или магнита с одним только северным полюсом, не может быть и изолированного кварка. Таким образом, кварки — это составляющие совершенно нового вида, которые могут существовать исключительно как части единого целого. Тем не менее, свидетельство их существования неоспоримо, а безошибочный знак присутствия кварка проявляется в любых экспериментах физики высоких энергий.
И вот мы опять на этапе 1. Кварки являются составляющими ядерных частиц и выказывают все признаки того, что являются действи-
1B английском языке слово «part» означает «часть». — Прим. пер. 124
Большая картина
тельно элементарными. Вместе с другим классом частиц, лептонами, они являются современной версией основных составляющих материи. Частицы, называемые лептонами, не принимают участия в сильных взаимодействиях. Подобно электронам, они являются внеядерными частицами. В плане квантовой хромодинамики они инертны.
Но при этом мы уже наблюдали демографический минивзрыв. В 1984 году в CERN была открыта шестая разновидность кварков1. Быть может, это последний кварк, который предстоит обнаружить, а может и нет. Известно также шесть видов лептонов. Вместе эти 12 частиц образуют современную периодическую таблицу кварков и лептонов, или материальных частиц, или основных фермионов. Двенадцать основных частиц: много ли это? Указывает ли регулярность таблицы на более глубокий структурный слой?
Физики-теоретики уже придумали множество названий для абсолютно гипотетических составляющих кварков и лептонов: ришоны, стра-тоны, преоны, маоны, дионы и т. д. — названия, которыми воистину можно жонглировать. Другие физики-теоретики предположили, что истинная периодическая таблица содержит гораздо большее количество колонок, соответствующих еще не открытым частицам, например, скваркам и слептонам. Тем не менее, в настоящий момент нет ни одного свидетельства существования еще одного слоя луковицы. Кварки и лептоны, насколько это можно определить, являются действительно точечными частицами. Они никогда не наблюдались в возбужденном состоянии, в отличие от атомов, ядер или нуклонов. Несмотря на многочисленные попытки экспериментаторов, не появилось ни одного свидетельства существования скварков и слептонов. Быть может, мы действительно добрались до дна бочки. А может быть и нет.
По мере прохождения через все стадии наших поисков: от атомов к ядрам, частицам и кваркам — эксперименты становились все более сложными и более дорогими. Существующие ускорители частиц стоят сотни миллионов долларов. Эксперименты в физике высоких энергий в настоящее время проводят группы ученых, состоящие из сотни, а то и больше, докторов философии. Позвольте мне попытаться объяснить, почему все происходит именно так. Ключевой концепцией является энергия, которая, согласно квантовой механике, тесно связана с размером. Высокоэнергетический ускоритель играет роль микроскопа с высокой разрешающей способностью. Отдельные частицы ускоряются до высоких энергий, что позволяет им действовать в микромире подобно зонду. Чем выше энергия — тем меньше зонд.
