Альфа часть 43

Альфа часть 43

 
Марри ГЕЛЛ-МАН
Murray Gell-Mann, р. 1929
Американский физик. Родился в Нью-Йорке в семье иммигрантов из Австрии. Его книга «Восьмеричный путь» (Eightfold Way, 1964), написанная в соавторстве с Ювалем Нееманом (Yuval Ne'eman, 1925–2006) позволила систематизировать во множестве расплодившиеся элементарные частицы подобно тому, как предложенная Дмитрием Ивановичем Менделеевым периодическая таблица помогла в свое время упорядоченно классифицировать химические элементы. За эту работу и развитие теории кварков и субатомных взаимодействий Гелл-Ман был удостоен Нобелевской премии по физике за 1969 год. Позже Гелл-Ман занялся исследованием сложных адаптивных систем.

 Многим, наверное, знакомо огорчение, которое доставляет ребенок, ломаю-щий новую игрушку, чтобы посмотреть, что там внутри так забавно пищит и скрипит. С интересом рассматривает малыш кучу об¬ломков: шестеренки, пружинки и другие не¬хитрые детали игрушки. А ведь в процессе этого стихийного анализа окружающих предметов он повторяет на свой манер путь, которым шли и идут поныне ученые, «раскладывающие» окружающий мир чело¬века на отдельные элементарные «кирпичи¬ки».
Представление о том, что все в природе состоит из отдельных простых элементов, зародилось, как мы знаем, еще у древних ученых. С развитием научных знаний разви¬валась и эта идея, причем для различных наук объектом изучения стали различные «кирпичики». Химия, например, имеет дело с молекулами, свойства которых полностью определяют свойства вещества. Но что в самой молекуле является носителем ее свойств? Атомы простейших химических эле¬ментов, из которых она состоит? Долгое время атомы казались неделимыми носите¬лями определенных свойств, но и атом ока¬зался сложным, состоящим из ядра и элект¬ронной оболочки объектом. Довольно бы¬стро ученые поняли, что ядра атомов в свою очередь построены из протонов и нейтро¬нов — их-то и назвали элементарными ча¬стицами.
До последнего времени казалось, что в этом длинном ряду все уменьшающихся «кирпичиков» поставлена точка, и то, что сейчас называют элементарной частицей, и есть на самом деле самый маленький «кирпичик» природы. Однако целый ряд фактов заставил усомниться в этом убежде¬нии. Появился новый кандидат на роль са¬мого элементарного «кирпичика» приро-ды — КВАРК. О нем и будет рассказано в этой статье. Но сначала остановимся на вто¬ром от конца звене в цепочке: молекула — атом — ядро —элементарная частица — кварк.
Все открытые до сих пор элементарные частицы делятся на три группы: тяже-лые частицы — барионы, легкие частицы — лептоны и частицы средней массы — ме¬зоны. Особняком стоит только фотон — квант электромагнитного поля или просто частичка света.
Элементарные частицы отличаются друг от друга свойствами и прежде всего массой, а точнее массой покоя (это масса, которую имела бы полностью остановившаяся части¬ца). Теорией относительности Эйнштейна ус¬тановлено, что движущаяся частица имеет большую массу, чем покоящаяся, причем никакая из частиц, обладающих массой по¬коя сколь угодно малой, не может двигаться со скоростью, большей или равной скорости света (300 ООО км/сек). И только фотон и нейтрино, вообще не имеющие массы по¬коя, движутся с этой скоростью. Зато ни фотон, ни нейтрино нельзя ни остановить, ни замедлить.
Кстати сказать, нейтрино, а точнее — обе его разновидности — входят в группу самых легких элементарных частиц, лептонов. Представителей лептонов относительно мало. Кроме нейтрино к ним относится хорошо всем известный электрон и мю-мезон с отрицательным зарядом. Электрон имеет массу покоя 0,5 Мэв (Мэв = 1,77 — • 10-27 грамма), мю-мезон обладает массой 105 Мэв. Эта частица до сих пор остается загадочной, так как по всем другим своим свойствам она ничем не отличается от электрона. О ней даже говорят иногда как о тяжелом электроне.
Частицы группы барионов имеют массы порядка 1000 Мэв, а массы мезонов заклю¬чены в интервале между массой мю-мезона и массами тяжелых частиц.
Второй важнейшей характеристикой частицы служит спин. Это свойство имеет¬ся только у представителей микромира и за¬ключается оно в следующем. Каждую части¬цу можно грубо представить себе в виде твердого шарика. Характерный диаметр та¬кого шарика равен приблизительно 10-13 см (в то время как для атомов он составит 10-8 см). Этот твердый шарик может кру-титься, подобно волчку, вокруг какой-либо оси, проходящей через центр шарика, и, сле¬довательно, как помнит читатель из школь¬ного курса физики, может иметь момент количества движения. В привычном для нас мире больших размеров и масс момент ко¬личества движения может быть любым. В микромире он дискретен и выражается только числом h* n/2, где h = 1,06-10-27 эрг•сек, а n — любое целое число из натурального ряда. Спином частицы, характе¬ризующим ее вращение вокруг центра, и называют число n/2.
Спин может быть либо целым, либо полуцелым — в зависимости от четности и не¬четности числа n. Замечателен тот факт, что у фотона и всех мезонов спины целые, а у лептонов и барионов полуцелые, причем пока не обнаружены частицы со спином, большим 5/2. Есть простое объяснение тому, почему у частиц не может быть больших спинов. Так как спин характеризует враще¬ние частицы вокруг центра, то большой спин означал бы вращение с большой скоростью, и под действием центробежных сил частица могла бы развалиться, как разваливаются на куски колеса поезда, развившего слиш¬ком большую скорость.
У элементарных частиц есть еще одно свойство, которое, грубо говоря, харак¬теризует их форму Это свойство, называе¬мое четностью. Чтобы понять, что это такое, вспомним, какой представляется нам в зер¬кале перчатка с правой руки. Она превра¬щается в левую перчатку и, наоборот, левая перчатка становится в зеркальном отраже¬нии правой. Но поднесите к зеркалу шар, и в его изображении ничего не изменится. Так вот, те частицы, которые «ведут себя» при отражении в зеркале как левая и пра¬вая перчатки, называются нечетным, а те, чье отражение подобно отражению шара, четными. Интересно, что две перчатки, пра¬вая и левая видны в зеркале как пара тех же двух перчаток, то есть совокупность двух нечетных объектов уже ведет себя как объект четный! Это в полной мере распространяется и на элементарные частицы.
И, наконец, есть в микромире еще один вид свойств, не связанный с движением частиц как твердых тел и с их формой. Это заряды частиц. Надо сказать, что микромир удивительным образом делится на две«половины»: частицы и античастицы. Они отличаются друг от друга только четностью и знаком заряда. Первый тип заряда Q — давно известный (хотя до сих пор не выяс¬нена его природа), — электрический заряд. Все элементарные частицы заряжены либо положительно, либо отрицательно, либо электрически нейтральны. Важнейшим и та¬инственным можно назвать тот факт, что у всех обнаруженных до сих пор частиц, а следовательно, и у построенных из них ядер атомов электрический заряд по абсо¬лютной величине кратен заряду электрона. Это обстоятельство ни из каких теоретиче¬ских соображений не вытекает, а следова¬тельно, не запрещено существование и та¬ких объектов микромира, у которых бы это свойство нарушалось.
Менее привычны для нас открытые срав¬нительно недавно два других типа заряда элементарных частиц: барионный заряд В и гиперзаряд Y. Барионный заряд равен еди¬нице для всех барионов и нулю для мезо¬нов, лептонов и фотона. Пока не найдено частиц с большим барионным зарядом, хотя их существование и предполагается.
В мире элементарных частиц постоянно идут различные реакции, в результате кото¬рых одни частицы превращаются в другие, распадаются. Но во всех процессах остает¬ся неизменным полный электрический за¬ряд, точно так же, как сохраняется и бари¬онный заряд, то есть полное число тяжелых частиц.
Гиперзаряд сохраняется далеко не во всех процессах. Определяющую роль игра¬ет тут взаимодействие между элементар¬ными частицами. Мы знаем сейчас четыре типа такого взаимодействия — это как бы четыре вида раствора, соединяющего кирпичики микромира: сильное взаимодейст¬вие, электромагнитное, слабое и гравитаци¬онное. Последнее есть просто притяжение масс, открытое Ньютоном. В силу своей ничтожности оно никакой роли в жизни элементарных частиц не играет. Процессы, идущие с помощью сильного взаимодейст¬вия (которое, кстати, удерживает протоны и нейтроны в ядре), это очень быстрые про¬цессы, разыгрывающиеся на малых расстоя¬ниях, соизмеримых с размерами частиц. Ха¬рактерные интервалы времени для сильных взаимодействий 10-21—10-23 секунд.
Электромагнитное взаимодействие вы¬ражено слабее. Процессы, обязанные ему, идут медленнее, и характерное для них вре¬мя — 10-16—10-17 секунд. Вот как раз в тех процессах, которые связаны с сильным и электромагнитным взаимодействием, и со¬храняется гиперзаряд, о котором шла толь¬ко что речь. Слабое взаимодействие, не со¬храняющее гиперзаряда, отвечает за самые медленные в масштабах микромира про¬цессы с большим характерным временем порядка 10-10 секунд. Подобно сильному взаимодействию, оно проявляется при очень маленьких расстояниях между части¬цами.
Все три типа взаимодействия играют су¬щественную роль в жизни частиц. Ведь большинство из них нестабильно. В свобод¬ном состоянии почти все они распадаются, превращаясь в конце концов в стабильные частицы: протон, электрон, фотон и нейт¬рино. Вот почему в окружающем нас ве¬ществе встречается так мало других эле¬ментарных частиц.
Время жизни элементарной частицы оп¬ределяется обычно слабым взаимодействием, и характерное время жизни частицы, распадающейся по слабому взаимодействию, и есть те самые 10-10 секунды, о которых говорилось выше. Однако в последнее время открыто много новых элементарных частиц, называемых резонансами, — они распадаются с помощью сильных взаимодействий и живут потрясающе короткую жизнь 10-23 секунды. Иногда распад частиц идет и с помощью электромагнитных сил.
Может возникнуть вопрос, как удалось столько узнать о мельчайших объектах с таким малым сроком жизни?
Большая часть сведений об элементарных частицах получена физиками на ускорителях, где создаются пучки быстрых ча¬стиц — электронов или протонов. Эти пучки направляются на мишени — ядра каких-либо атомов. При этом происходят разно¬образные реакции, изучение которых по¬полняет наши знания о микромире. Но этим возможности исследователей не ограниче-ны. Они ведут работу еще на одном гигант¬ском ускорителе — он создан самой приро¬дой. Каждую секунду на Землю из Вселен¬ной непрерывно обрушивается поток космических лучей, которые представляют собой набор самых различных частиц. Неко¬торые из этих частиц обладают такой высо¬кой энергией, подобную которой еще долго не смогут получить экспериментаторы. Кос¬мические лучи тоже вызывают на земле ядерные реакции, например, в веществе фотопленок. Проявляя пленку, можно уви¬деть и тщательно проанализировать следы, оставленные в фотоэмульсии частицей и продуктами вызванной ею реакции.
Физик, исследующий элементарные ча¬стицы, похож на химика, который для изуче¬ния каких-то химических реакций располага¬ет всего несколькими молекулами или даже атомами реагирующих веществ. Но несмот¬ря на колоссальные экспериментальные трудности и дороговизну опытов, число от-крытых и изученных элементарных частиц сегодня ненамного отличается от числа химических элементов, известных Д. И. Мен¬делееву в то время, когда он создавал свою таблицу.
В физике уже неоднократно предприни¬мались попытки создать «Периодиче-скую систему» для элементарных частиц. Было перепробовано немало способов классификации. Но надо сказать, что до по¬следнего времени методы изучения элемен¬тарных частиц и, особенно их классифика¬ции, слабо опирались на математику. Физи¬ки больше занимались поисками и описани¬ем частиц, чем созданием строгой теории, предсказывающей новые частицы и их свой¬ства. Могучим толчком, позволившим наве¬сти порядок в мире элементарных частиц и предсказать — поразительно правильно — новые интересные эффекты, стало приме¬нение нового принципа симметрии и исполь-зование математических методов теории групп. Детали этих методов слишком слож¬ны и выходят за рамки популярной статьи, однако суть их можно пояснить на неслож¬ном примере.
Допустим имеется кристалл, например поваренной соли NаСl, в котором ионы эле¬ментов расположены упорядоченно, то есть существует некоторая совокупность опера¬ций поворота и сдвигов, которые ставят кристалл в положение, неотличимое от первоначального. Эти операции образуют так называемую группу симметрии кристалла, которая для NаСl будет, как хорошо известно, кубической. Было высказано предпо¬ложение, что и в мире элементарных частиц существует (для барионов и мезонов) некоторая иная симметрия, названная SU(3). От¬сюда как следствие получалось, что части¬цы собираются в группы — мультиплеты по 8 и 10 частиц с примерно одинаковыми свойствами, причем все заряды, которые получались из этой математической схемы, удивительным образом совпали с наблюда¬емыми зарядами реальных частиц.
Природа подобной симметрии до сих пор остается загадкой, однако ее реаль-ность не вызывает никаких сомнений, так как все следствия, вытекающие из гипотезы SU(3), согласуются с опытом. Мультиплет из восьми барионов — иначе октет барионов, составлен из следующих частиц, имею¬щих спин 1/2, положительную четность и при¬мерно одинаковую массу: протона, нейт¬рона, трех частиц ;+, ;°, ;- -гиперонов, двух частиц ;- и ;°-гиперонов и ;-ги-перона.
Их заряды и массы показаны в этой таб¬лице:
 Гипотеза SU(3) предсказывала, что все эти частицы можно точно расположить в вершинах и центре правильного шести¬угольника, получаемого на графике зависимости числа Y от Т3 = Q — Y/2.
 Как мы видим, это предсказание пол¬ностью оправдалось! Но имеет место еще более интересный факт. SU(3)-гипотеза предсказывала существование 10 частиц — декаплета, с одинаковым спином и чет¬ностью, для которого соответствующий рас¬четный график имел вид правильного тре¬угольника (точки на его сторонах обознача¬ют места для частиц):
 Для девяти точек на этом графике ча¬стицы были известны, а для нижней верши¬ны треугольника, которая обозначена частицы не было. Гипотеза SU(3) сразу предсказывала, что у этой частицы должен быть барионный заряд 1, электрический за¬ряд — 1, гиперзаряд — 2, а спин, как у всех остальных частиц декаплета, обозначенных на рисунке буквами (это хорошо установ-ленные резонансы), должен быть равен 3/2. Предполагалось, что четность у нее поло¬жительная, была указана и масса этой ча¬стицы. И вот всего полтора года назад ча¬стица с такими «данными» была обнаруже¬на! Среди ста тысяч снимков с различными реакциями оказался один (!) снимок, на ко¬тором была сфотографирована ;--частица (омега-минус-гипертон), причем все ее свойства совпали с предсказанными.
Вспомните, читатель, теоретический вы¬вод Д. И. Менделеева о существовании новых не открытых еще элементов, для ко¬торых предназначались пустые клетки в его таблице. С момента открытия ;--частицы внимание всех физиков приковано к новому групповому подходу в теории элементарных частиц. Студенты и профессора засели за изучение разделов математики, которые малоизвестны и большинству самих мате¬матиков. Число работ в этом направлении побило все рекорды… И здесь мы подходим к самому волнующему месту проблемы. Дело в том, что из гипотезы SU(3) следует, что должен существовать такой график:
 Если, как это делалось для октета и де¬каплета, попытаться отождествить точки этого графика с реальными частицами, то по¬лучается, что должны существовать частицы с удивительными свойствами: дробными электрическими зарядами 2/з у q1; —1/3 у q2; — 1/3 у q3 и дробным гиперзарядом, что до сих пор никогда не встречалось. Гелл-Манн в США и Цвейг в Швейцарии одновременно выдвинули гипотезу, что такие частицы су¬ществуют. Они были названы американским исследователем кварками (слово «кварк» взято им из романа Дж. Джойса «Пробуж¬дение Финнегена» и обозначает химери¬ческие существа, чудившиеся герою ро¬мана во время галлюцинаций). Гипотеза о существовании кварков тотчас позволила объяснить все свойства элементарных ча¬стиц, вытекающие из гипотезы SU(3)-сим¬метрии.
Объяснение состоит в том, что все бар- ионы можно «сконструировать», набирая для этого комбинации из кварков (одина¬ковых или разных, по три штуки). Мезоны же можно построить, используя различные комбинации: кварк плюс соответствующий антикварк (q1; q2; q3 и q;1; q;2; q;3).
Таким образом, если кварки существуют, то они и есть «самые элементарные» ча¬стицы, из которых построены все мезоны и барионы, а следовательно, ядра атомов и так далее…
Итак, из всего громадного числа эле¬ментарных частиц «истинно элементар-ные» — лишь фотон, лептоны, а также квар¬ки. Остается выяснить одно — существуют ли кварки? Сейчас мнения ученых раздели¬лись, хотя большинство считает странным, что частицы, которые так замечательно объ-ясняют множество сложных и, казалось, не¬разрешимых вопросов, — лишь математиче¬ская абстракция. Поэтому в лабораториях всего мира идут интенсивные поиски этих загадочных частиц в свободном состоя¬нии; считается, что по крайней мере один тип кварков должен быть в этом состоянии стабильным.
Итак, ищут частицы с дробными электри¬ческими зарядами.
Так как на современных ускорителях до¬стигнуты достаточно большие энергии и тем не менее кварки не обнаружены, то счита¬ется, что у них должна быть очень большая масса, во всяком случае больше 8000 Мэв. Кварки ищут в космических лучах: так как заряд у них дробный, меньше заряда других элементарных частиц, то они должны оставлять более тонкие следы в устрой-ствах, регистрирующих элементарные час¬тицы.
Пока в космических лучах кварков не об¬наружено. Но можно ожидать, что в этих исследованиях скоро будет получен опре¬деленный ответ — не так давно, сообщая о запуске многотонной космической станции «Протон-1», газеты отмечали, что аппара¬тура этой надземной лаборатории предна¬значается, в частности, для поисков кварков.
Большой интерес представляют попытки организовать поиски кварков на основе идеи, выдвинутой советским физиком, ака¬демиком Я. Б. Зельдовичем и его сотрудни¬ками. Идея состоит в том, что стабильные кварки или ядра, присоединившие одиноч¬ный кварк, могли накопиться, правда, в очень малой концентрации, в океане за вре¬мя существования Земли. Быть может, квар¬ки есть и в веществе метеоритов, которые в космическом пространстве облучались космическими частицами высокой энергии, вследствие чего в массе метеорита могли родиться кварки. Однако, опять-таки по предварительным оценкам, их концентра¬ция и здесь очень мала. Высказывается предположение, что в океане могут сущест¬вовать растения или живые существа, в ча¬стности рыбы типа электрического ската, концентрирующие кварки, либо соединения, где они содержатся. Сейчас идут поиски хи¬мических методов анализа морской воды, с помощью которых можно было бы найти кварки.
Надо отметить, что эти частицы или их совокупности могут, как предсказывает тео¬рия, присоединять к себе электроны и образовывать кварковые атомы, которые в свою очередь могли бы давать совершенно новые, удивительные соединения. Кто знает, не появится ли в будущем новый раздел хи¬мии кварковых соединений.
Есть еще одна очень важная сторона в во¬просе о существовании кварков. Если они действительно обладают такой большой массой, а у элементарных частиц, «слепленных» из кварков, масса уже гораздо мень¬ше, то при реакции соединения трех квар¬ков, например, в протон, должна выделять¬ся колоссальная энергия, в миллионы раз больше той, что выделяется при аналогич¬ной термоядерной реакции. Конечно, сейчас возможность использования этой энергии кажется фантастической. Однако, когда в тридцатых годах была впервые сформули¬рована возможность практического исполь¬зования атомной энергии, это тоже никем не принималось всерьез. Можно далее предположить, что реакции синтеза из квар¬ков элементарных частиц играют существен¬ную роль в космических процессах, напри¬мер, при взрывах ядер галактик, так как по расчетам советского астрофизика В. А. Ам-барцумяна, обычной энергии, в том числе и ядерной, явно недостаточно для поддер¬жания этих гигантских процессов.
Подтверждение существования кварков, будет ли оно отыскано физиками на ускори¬теле или в химической лаборатории, а ско¬рее всего в результате объединенных усилий физиков и химиков, станет настоящим три¬умфом науки и повлечет за собой далеко идущие последствия. Оно заставит пере¬смотреть многое в естественнонаучных и философских взглядах на природу, откроет совершенно неожиданные направления в практическом использовании новых научных открытий.
Однако работа предстоит трудная и, на¬верняка, долгая. Может быть и вам, чита¬тель, посчастливится внести свой вклад в эти увлекательные поиски.
В. И. М