Вселенная в электроне

Как и кварки, глюоны — вечные пленники. В лавинообразном образовании глюонной «пены» энергия начального глюона быстро делится на все более и более мелкие порции, и глюон «тает» — растворяется в комке рожденных им новых глюонов. Он не может уйти далеко от места своего рождения.

Тем не менее глюоны оставляют видимые следы. При столкновении с зондирующим электроном глюон иногда получает такой сильный толчок, что его энергии хватает не только на образование глюонной «пены», но и на рождение кварк-антикварковых пар. Эти пары сразу же слипаются в мезоны и вылетают в виде узкой, «кинжальной» струи частиц. Можно сказать, что получивший большой импульс глюон так резко тормозится на краю частицы, что его энергия струей «выплескивается» наружу. Узкие мезонные струи наблюдались во многих экспериментах.

Глюон — частица, изобретенная за письменным столом теоретика, однако сегодня нет сомнений в ее реальном существовании.

Аромат и цвет кварков

С тех пор как выдумали кварки, прошло уже четверть века, и их уже давно перестали считать «чепухой». Курьезный намек на это остался лишь в их названии. Для физика глюоны и кварки сегодня такие же привычные объекты, как атомы и молекулы.

Знаменитый французский математик Анри Пуанкаре как-то заметил, что всякой истине суждено одно мгновение торжества между бесконечностью, когда ее считают неверной, и бесконечностью, когда она становится тривиальной. Правда, кваркам до тривиальности еще далеко, они до сих пор преподносят сюрпризы.

Поначалу считали, что кварки имеют три состояния. Семейство трех братьев-близнецов. Фраза «Три кварка для мистера Марка» имела тогда прямой смысл. Два кварка нужны, чтобы построить нуклон и пи-мезон. Третий — для конструирования странных частиц. Вскоре, однако, были открыты «прелестные» и «очарованные» частицы, и для них пришлось ввести еще два кирпичика-кварка. А недавно был обнаружен шестой кварк. Эти три кварка значительно тяжелее своих собратьев, их масса больше нуклонной.

Теперь уже не три, а шесть кварков для мистера Марка! Чтобы различать, им присвоили номера — первый, второй и так далее. Однако это неудобно, поскольку все шесть кварков совершенно равноправны, и какой из них называть первым, а какой последним, зависит от конкретной задачи. Поэтому предложено считать, что все кварки обладают общим свойством — ароматом, но каждый из них пахнет по-своему. Шесть кварков — шесть запахов.

Конечно, кварк нельзя понюхать, и никакого аромата в обычном понимании у него нет. Это только удобный термин, такой же, как «странность», «очарование» или «прелесть», с помощью которых описывают определенные свойства частиц. Физики любят использовать необычные и поэтому легко запоминающиеся названия.

Иногда это приводит к забавным недоразумениям. Некоторое время мне пришлось работать в отделе, начальник которого весьма формально выполнял свои обязанности. Подчиненным это надоело, и вот однажды один из них среди прочего оборудования заказал пару оптических осей. (Оптическая ось, как известно, это — воображаемая линия, соединяющая фокусы линзы.) Наш начальник, по обыкновению, не глядя «подмахнул», заказ, а ответственный за поставку оборудования хозяйственник, доверяя авторитету нашего титулованного начальника, принял все за чистую монету. Понятно, что никаких оптических осей институт не получил.

— Мне предлагали, но толстоваты, отказался! — попытался вывернуться на отчетном собрании хитрец снабженец, но его слова утонули в громовом хохоте.

Не смеялся один начальник.

Ныне хозяйственник стал опытным, а лет двадцать — тридцать назад еще можно было выписать дефицитный растворитель для протирки тех же оптических осей или для смывания «ионных пятен» с экрана телевизора!

Испуская или поглощая глюон, кварк изменяет свой «цвет». Подобно снующим над цветами пчелам, глюоны «измазаны» пыльцой-зарядом. Сядет такая «пчела» на кварковый «цветок», и он сразу приобретает другой цвет, улетит — опять новый цвет, в зависимости от того, сколько и какой зарядовой «пыльцы» унесла глюонная «пчелка».

Кварковыи заряд «цвет» во многом похож на электрический. Он также может быть большим или маленьким, положительным или отрицательным (в последнем случае говорят, что цвет сменился антицветом). Но есть одно принципиальное отличие. Как бы ни изменялся электрический заряд, он всегда остается электрическим зарядом. Цветовой же заряд может изменить еще и свой цвет. Фактически это сразу три независимо изменяющихся заряда, которые к тому же могут еще и переходить один в другой. Цветные системы несравненно богаче по своим свойствам, чем электрические.

Попытайтесь представить себе, как изменился бы окружающий мир, если бы вдруг появились три типа электрических зарядов. Три сорта света и радиоволн, цветное электричество, разные типы атомов…

С открытием «цвета» микромир стал в наших глазах многограннее и ярче, но кварков теперь уже восемнадцать. Этот факт тоже начинает беспокоить — уж очень сложной становится «самая элементарная» частица. Видимо, в недрах микромира от нас скрыто еще что-то очень важное…

Упрямые лептоны

Есть еще одно беспокоящее обстоятельство. Кварки позволили навести порядок среди элементарных частиц, помогли понять, что творится внутри этих мельчайших капелек вещества. Однако лептоны остались в стороне — их нельзя «склеить» из кварков.

Три электронноподобных брата, e, π и τ с тремя собачками-нейтрино и шесть античастиц — три «антибрата» и три «антисобачки». Эти «упрямцы» стоят особняком от других элементарных частиц и не хотят иметь с ними дела — взаимодействуют слабо. Все они точечные, по крайней мере, раз в тысячу меньше остальных частиц. Такое впечатление, будто они сделаны из другого «теста»!

По размерам и по специфичности, выделенности своего поведения лептоны ближе к кваркам, чем к составным частицам — адронам. Ведь кварки тоже очень мелкие частички. Да и число лептонов — шесть — таково же, как число кварков в каждой цветной шеренге. Едва ли такое сходство случайно, в природе ничего не бывает «просто так»…

А что, если лептоны лежат на той же «сверхэлементарной» ступени структурной лестницы, что и кварки? Более того, может, они вообще близкие родственники?

На побережье лазурного Адриатического моря, вдали от крупных промышленных центров, расположен международный Институт теоретической физики. Он содержится на деньги многих государств, и работать туда приезжают ученые со всех краев света — от Японии до Америки. Обмен мнениями, споры, совместные расчеты — все это очень способствует работе теоретиков. Несколько лет назад два сотрудника этого института, его бессменный директор пакистанский физик Абдус Салам (недавно он избран членом Академии наук СССР) и английский теоретик Джордж Пати, выдвинули смелую гипотезу о том, что лептоны не самостоятельные частицы, а всего лишь четвертое цветное (точнее, бесцветное, белое) состояние кварка.

Этих физиков не смутило большое различие свойств частиц, объединенных ими в кварковое семейство, — «бестелесных», не имеющих электрического заряда и движущихся со скоростью света нейтрино, с одной стороны, и тяжелого шестого кварка с дробным зарядом и массой, больше нуклонной, — с другой. Электрические заряды лептонов 0 и 1, то есть 0/3 и 3/3, хорошо укладываются в один ряд с зарядами кварков:

0/3, ∓1/3; ∓2/3, ∓3/3.

Что же касается различия масс, то, по мнению Салама и Пати, это результат влияния окружающего фона. Ведь вокруг всякой частицы образуется облако испущенных ею частиц-воланчиков, которые экранируют частицу и изменяют ее свойства. Только такие заэкранированные, закутанные в облака частицы с измененными, или, как говорят физики, эффективными, свойствами и наблюдаются в опытах. Здесь мы снова встречаемся с эффектом Архимеда: внутри облака частица чувствует себя, как в ванне. А поскольку плотность и состав облака зависят от величины заряда и от других ее характеристик, вес членов кваркового семейства оказывается различным. Для одних ванна кажется наполненной водой, для других — вязким маслом, а для третьих — густым сиропом, в котором они полностью теряют свой вес и приобретают невесомость.

О том, что члены семейства-мультиплета могут иметь разные массы, известно давно. Например, заряженные пи-мезоны несколько тяжелее π0-мезона: распределенное вокруг них электрическое поле дает добавку к их весу. Однако все эти расщепления составляют проценты, а в кварк-лептонном семействе они очень великие — на малых расстояниях, в тысячи раз меньших размеров адронов, действуют более мощные силы, и энергетические «ванны» вокруг частиц оказываются весьма эффективными.

На самом деле, конечно, все обстоит значительно сложнее, даже специалистам-теоретикам здесь еще не все ясно, но в первом приближении картину можно «нарисовать» с помощью экранирующих облаков и энергетических ванн.

Новая теория сократила список независимых элементарных частиц, сделала их таблицу более стройной. Однако одного этого еще недостаточно для того, чтобы физики поверили в гипотезу о тесной связи кварков с лептонами. Ведь, по существу, новая теория лишь заменила один непонятный факт, «упрямство лептонов», другим — их «кровным родством» с кварками. Это все равно, что пытаться старую тайну объяснить с помощью новой загадки. Как говорит пословица: «Хрен редьки не слаще».

Можно придумать целую цепочку гипотез, где каждая следующая нужна лишь для оправдания предыдущей. Так однажды в наш институт пришло письмо, автор которого, десятиклассник, выдвигал гипотезу: раз все в природе развивается, то должны развиваться и частицы, поэтому нейтрино, электрон, протон и так далее — это одна и та же частица в разные периоды ее жизни. Чтобы объяснить, почему нет частиц, соответствующих промежуточным моментам времени, вводится еще одно предположение: время только кажется непрерывным, а на самом деле в нем есть прорехи, поэтому промежуточных моментов просто не существует. Дальше автор письма не пошел, но если пофантазировать, то цепочку гипотез можно продолжить. В институты приходит много подобных писем. Их общий недостаток — произвольность допущений. Современная физика (равно как и другие разделы знания) таких гипотез не признает, считает их ненаучными.

Но так было не всегда.

«Бритва Оккама»

Шесть с половиной веков отделяют нас от эпохи, когда жил Уильям Оккам — член Ордена нищенствующих монахов, человек очень образованный, выступавший с лекциями по богословию и логике. Это было время, когда наука играла роль робкой служанки церкви и ютилась на задворках монастырей и соборов. Главным «научным» доводом тогда было: «Это вытекает из святого писания», или просто: «Так угодно богу». Однако накапливались экспериментальные данные, люди все больше и больше узнавали об окружающем мире, и в среде ученых монахов голос слепой веры все чаще сменялся голосом разума: почему же все-таки так, а не иначе? К числу таких размышляющих монахов принадлежал и Оккам.

С портретного наброска в рукописи XIV века смотрит коротко остриженный, аскетического вида монах в рясе, с худым, продолговатым лицом и внимательными глазами. О его происхождении и юношеских годах мы знаем мало. Доподлинно известно лишь то, что первую часть жизни он провел в Англии, где его остроумные, часто язвительные, но всегда трудно опровергаемые выступления быстро принесли ему известность. Кончилось тем, что канцлер Оксфордского университета обвинил его в ереси и под стражей отправил в Авиньен — тогдашнюю резиденцию папы, где в ожидании суда Оккам долгих четыре года провел в заключении. Следствие тянулось, суд постоянно откладывали, а тем временем от Оккама обещаниями и угрозами старались добиться смирения и покаяния. Однажды ночью вместе с двумя другими узниками ему удалось бежать. На лошадях в большой спешке они добрались до побережья, где их ждала галера. Всю дальнейшую жизнь Оккам посвятил борьбе против папы.

В то время было обычным строить длинные схоластические рассуждения, цепляя одно предположение за другое. Для объяснений явлений природы привлекалось множество различных гипотез о всевозможных «тонких», не ощущаемых нами «флюидах», субстанциях и «сущностях». Понятно, что таким путем удавалось объяснить, а главное, согласовать со священным писанием все что угодно. В словесных дуэлях со своими противниками Оккам первым стал использовать в качестве оружия принцип: «Не следует с помощью большего делать то, чего можно достигнуть меньшей ценой», или более кратко: «Сущностей не следует умножать сверх необходимого». Этот принцип, как бритва, срезал слабо обоснованные доводы противников, позволяя вылущивать зерна истины. С тех пор «бритва Оккама» стала одним из основных принципов, краеугольным камнем научного исследования.

Второй краеугольный камень — обязательная проверка экспериментом. Были века, когда ученые не очень заботились о проверке своих теорий опытом. Доказательства на основе логических рассуждений считались более надежными и убедительными, чем эксперименты, всегда несколько неточные и зависящие от приборов. Например, крупнейший ученый древности Аристотель в своих трудах утверждал, что у женщин зубов меньше, чем у мужчин. Ему и в голову не приходило проверить это утверждение опытом, хотя он дважды был женат. Этот пример выглядит историческим анекдотом, но он правильно передает атмосферу пренебрежения к эксперименту, которая царила в науке в течение многих веков. В современной науке проверка экспериментом обязательна, опыт — главный судья. Какой бы логически стройной и замкнутой ни была теория, до тех пор, пока ее выводы не подтверждены на практике, она относится к разделу недоказанных гипотез. Если же теория такова, что ее выводы можно проверить опытом лишь когда-то в очень далеком будущем, то ученые подходят к ней с большой осторожностью.

Все вокруг радиоактивно!

Вернемся к гипотезе о кварк-глюонном родстве. Теория Салама и Пати была первой разведкой в этом направлении. Как говорил Гете, смелые мысли подобны передовым шашкам в игре — они гибнут, но обеспечивают победу! Сегодня физики отдают предпочтение другим, более совершенным вариантам теории. Но все они обладают общим недостатком: их предсказания и выводы можно проверить лишь при очень высоких энергиях, в миллиарды раз превосходящих то, что дают современные ускорители. Энергии космических частиц для этого также недостаточно. Даже у самых быстрых из них энергия в сотни раз меньше того, что нужно.

Казалось бы, кварк-лептонным теориям уготована участь пылиться в дальнем ящике письменного стола теоретиков. Есть такие теории, о которых говорят, что они «из области фантастики и, может, даже не научной»!

К счастью, природа оставила маленькую, как замочная скважина, щелку, через которую уже сегодня можно заглянуть в край сверхвысоких энергий.

В теориях, основанных на кровном родстве лептонов и кварков, пчелки-глюоны, перенося цветовую «пыльцу», могут сделать красный, синий или желтый цветок белым, то есть превратить его в лептон. Составная частица адрона, внутри которого произошло такое превращение — например протон, — сразу же распадется, поскольку частиц, состоящих из смеси лептонов и кварков, в природе нет. Подобной радиоактивности протона нет ни в одной другой теории, поэтому если ее обнаружат на опыте, это будет убедительным доказательством того, что лептоны и кварки — близкие родственники.

Правда, вывод о радиоактивности протона несколько пугает. Получается, что радиоактивно и с течением времени должно распасться все — все атомы мира. Оптимистической такую перспективу не назовешь!

Однако опасаться нам нечего. Расчет говорит, что протоны распадаются крайне редко. В стакане воды один распад происходит за десять тысяч лет, а чтобы распадалось по одному протону в сутки, нужен большой пруд, объемом со школьный спортзал. В теле человека за всю его жизнь, от рождения до смерти, в среднем распадается не более одного протона. Как видно, потери невелики. Пройдет неисчислимое количество лет, прежде чем убыль атомов в мире станет заметной.

Как же обнаружить такие сверхредкие события?

Прежде всего заметим, что у протона — положительный электрический заряд, поэтому при его распаде должна обязательно образоваться какая-то положительно заряженная частица, она распадается на более легкие частицы и так далее до тех пор, пока не образуется позитрон, которому распадаться больше уже не на что. Двигаясь в веществе, он столкнется с одним из атомных электронов и превратится (аннигилирует) в кванты света. Эти искорки света — сигналы о происшедших в веществе «протонных катастрофах». Засечь их труднее, чем найти иголку в стоге сена. Приходится наблюдать сразу за очень большим числом протонов, для чего используют огромные объемы прозрачной жидкости — иногда тысячи или даже десятки тысяч тонн — и много высокочувствительных детекторов света. Это можно сравнить с сетчатыми глазами гигантской стрекозы, застывшей в ожидании добычи. Чтобы исключить фон космических лучей, где есть свои позитроны, измерения выполняют глубоко под землей, например, в шахте для добычи золота в Южной Америке глубиной три километра или у нас на Кавказе в толще гор. А для того чтобы долгожданные искорки протонных распадов не затерялись в хаосе всевозможных случайных помех, применяются сложные системы электронной фильтрации регистрируемых сигналов.

Опыты продолжаются уже несколько лет, и, хотя ни одного случая распада протона до сих пор не обнаружено, физики не складывают оружия. Создаются установки еще большей величины, а некоторые из проектируемых выглядят просто фантастическими. Так, планируется строительство прибора с объемом в кубический километр. Куб со стороной, равной высоте почти двух Останкинских телевизионных башен! Такое циклопическое сооружение можно разместить лишь в толще океана или в глубоком озере, например в Байкале.

Поиск протонных распадов часто называют экспериментом века. Его успех будет веским доказательством того, что наши представления о глубинах микромира в целом правильны. Напротив, отрицательный результат прозвучит тревожным сигналом о том, что физики в чем-то крупно ошибаются, и тогда придется искать новую дорогу в недра микромира. Понятно, почему физики с таким интересом встречают все сообщения с «протонного фронта»! Да и не только физики, результат опытов очень важен также для астрономов и философов — ведь от его исхода зависят предсказания дальнейшей эволюции и судьбы окружающего нас мира.

«Великое объединение»

Слои «облаков», окружающие частицы, экранируют их заряды, поэтому, надевая «шубы», частицы изменяют не только свои массы, но и заряды. Другими словами, расщепление массы «голой» частицы при облачении ее в «шубу» должно сопровождаться распадом единого исходного взаимодействия на несколько отличающихся по своим свойствам типов. Можно думать, что четыре основных вида сил, действующих между частицами — очень сильные «цветовые», умеренно сильные электромагнитные, слабые силы всемирного тяготения (гравитация), очень слабые, проявляющиеся в распадах частиц, — как раз и есть проявление этого расщепления.

Если бы можно было заглянуть внутрь облачного покрова частиц — например, так, как это делают на планете Венера с помощью спускаемых на парашютах станций-зондов, — частица с различных высот выглядела бы заряженной по-разному. Именно так, всегда различно заряженными, видят друг друга сталкивающиеся частицы. Чем больше их энергия, тем глубже они проникают друг в друга и тем отчетливее ощущают «дыхание» их центральных неэкранированных зарядов. Поэтому можно ожидать, что с ростом энергии различные типы взаимодействий будут становиться все более похожими и при очень высоких энергиях сольются в одно-единое взаимодействие. Произойдет «великое объединение» всех сил природы.

Реальное положение дел несколько сложнее. Экранирующие облака образуются не только вокруг заряда, но и вокруг каждой частички-воланчика, которыми прощупывают друг друга сталкивающиеся частицы. Воланчик тоже превращается в целое семейство частичек-сестричек, различающихся фасоном своих «шубок». Если она очень тяжелая, воланчик переносит взаимодействие только на ультрамалые расстояния. Вдали от центра частицы такие воланы почти не встречаются, и связанное с ними взаимодействие проявляется там очень слабо. В других случаях воланы — «легко одетые» частицы, они способны далеко уйти от испустившего их заряда, и с их помощью происходит взаимодействие на больших расстояниях.

Тип взаимодействия, его свойства зависят от экранировки заряда и от его переносчиков — воланов. Лишь в глубине частицы, вблизи ее «обнаженного» заряда, где воланчики еще не успели полностью надеть свои «шубки», все типы взаимодействий становятся одинаковыми — сходятся воедино.

Не только строение, но и силы, связывающие «самые элементарные» частицы, лептоны и кварки, оказываются необычайно сложными. Простейшими точками эти частицы никак не назовешь!

Все действующие в природе силы можно представить в виде развесистого дерева, растущего из недр Вселенной. В обыденной жизни мы имеем дело с его многочисленными веточками и листьями. Углубляясь в микромир, мы сначала встречаемся с более крупными ветками, потом с сучьями и, наконец, с его стволом. Понять, что природа устроена таким образом, физикам было очень непросто. Ведь, например, сила тяготения двух электронов в миллиарды миллиардов раз меньше их электромагнитного отталкивания. Трудно поверить, что это — «ветви» одного дерева!

К идее «великого объединения» физики пришли совсем недавно — каких-нибудь пятнадцать — двадцать лет назад, хотя первый шаг в этом направлении был сделан очень давно, еще полторы сотни лет назад, английскими учеными Майклом Фарадеем и Джеймсом Максвеллом. Они жили в эпоху, когда наука, по существу, еще только приступала к детальному изучению окружающей природы и многие удивительные факты лежали буквально на поверхности, их можно было исследовать в любой маленькой лаборатории, тем более что для опытов не требовалось многоэтажного оборудования с десятками специалистов, как в современных институтах. В большинстве случаев было вполне достаточно нескольких стеклянных трубочек, куска сургуча и мотка медной проволоки. Просто поразительно, сколько замечательных открытий было сделано в то время и с помощью самых примитивных средств! В это золотое для физики время и была установлена связь трех издавна известных, но с первого взгляда таких различных по своей сути явлений — света, электричества и магнетизма. Фарадей обнаружил это на опыте, а Максвелл создал теорию.

В жизни и в характере этих людей было мало похожего. Фарадей, сын кузнеца и горничной, не закончивший даже начальной школы, с двенадцати лет вынужденный работать разносчиком газет, а затем подмастерьем мелкой печатной мастерской. Максвелл родился на сорок лет позже в аристократической шотландской семье и еще в юности получил блестящее образование. Майкл Фарадей отличался необычайным трудолюбием и целеустремленностью. Он в двадцать пять лет издал свою первую работу, а в тридцать три года был избран членом Лондонского королевского общества — для высокомерной и чопорной Англии факт удивительный. Наука для него была целью и смыслом жизни. Для Джеймса Максвелла, богатого и обеспеченного человека, научные изыскания не являлись источником существования. Они были лишь его увлечением. Он разбрасывался в своих интересах, брался за решение самых разнообразных задач. В статьях Фарадея нет ни одной математической формулы, Максвелл блестяще владел математикой и использовал в своей работе самые сложные ее разделы.

Общим у этих ученых было самое главное — глубокое проникновение в суть изучаемых физических проблем. Каждый из них не мог бы сделать того, что сделал другой. А вместе они создали электродинамику — науку, которой мы обязаны электростанциями и электромоторами, радио и телевидением и множеством других веществ, без которых трудно представить современную жизнь.

Фарадей первым открыл электромагнитное поле. Он доказал, что электричество и магнетизм — это два компонента единого целого: распределенного в пространстве поля. Если ранее считалось, что мир состоит только из вещества, то Фарадей добавил к этому новую сущность — электромагнитное поле, которое может быть «привязанным» к зарядам и токам, порождая действующие вокруг них силы, либо отрываться от них в виде светового излучения.

Мы уже знаем, что поле — это совокупность частиц-фотонов, движущихся по волновым законам. Ничего этого ни Фарадею, ни Максвеллу, понятно, не было известно. Они представляли себе поле в виде особых напряжений в заполняющем пространство эфире, чем-то вроде натянутых резиновых нитей и трубочек. Фарадей называл их силовыми линиями. Они стягивали или, наоборот, подобно пружинкам, расталкивали заряды и токи. Приближенная, но очень наглядная модель, хорошо имитирующая свойства электромагнетизма!

Следующий шаг на пути к «великому объединению» был значительно более трудным. Он был сделан лишь в середине 60-х годов XX века. Внимание физиков тогда привлекли слабые взаимодействия. Они обладали странной особенностью: для всех других сил можно указать промежуточное поле, кванты которого служат воланчиками в бадминтоне взаимодействующих частиц, а вот в распадных процессах частицы «разговаривают», так сказать, напрямую, без всяких посредников, толкая друг друга, как бильярдные шарики.

Естественно предположить, что в этом случае тоже происходит обмен воланчиками, но только такими тяжелыми, что весь процесс происходит на очень малых, еще не доступных нам расстояниях, а со стороны это выглядит, как будто частицы просто толкают друг друга. На больших расстояниях проявляется лишь «хвост» взаимодействия. Это объясняет, почему оно такое слабое. Сильным оно становится внутри лептонов и кварков.

Расчеты показали: если бы не большая масса промежуточных частиц, то такое взаимодействие по своим свойствам было бы очень похожим на электромагнитное. И вот трое физиков — Абдус Салам, Стив Вайнберг и Шелдон Глешоу — допустили, что фотон и тяжелые промежуточные частицы слабого взаимодействия — это одна и та же частица, только в различных «шубах». Разработанную ими теорию — ее стали называть «электрослабой», поскольку она, как частный случай, содержит электродинамику и старую теорию слабых взаимодействий — вскоре подтвердил эксперимент. В опытах на ускорителях были выловлены тяжелые воланчики электрослабого поля — три брата-мезона с массой, почти в сто раз большей протонной.

Создание теории электрослабого поля и экспериментальное открытие его тяжелых квантов было отмечено сразу двумя Нобелевскими премиями — самыми почетными международными наградами ученым.

В развитии науки бывают этапы, когда она летит вперед, как корабль с надутыми ветром парусами. Одна идея рождает другую, успех следует за успехом! Мощный прорыв в Страну Неизвестного! Не дожидаясь подхода тяжелой артиллерии эксперимента, теоретики атакуют опорные пункты, стараясь как можно дальше продвинуться в глубь неизвестного. В тылу остаются невыясненные детали, отложенные проблемы, болота сомнений. Все это потом, прежде нужно овладеть главными позициями, создать общую картину. О таком времени впоследствии вспоминают: «Золотой век»!

Такое счастливое время переживает теперь физика. Вдохновленные открытием электрослабого поля, теоретики с ходу сделали еще один шаг — объединили его с цветовым полем. Семейства фотона и трех его братьев-мезонов породнились с глюонами. Новая семья отвечает за перенос цвета и аромата, связывает кварковые и лептонные состояния. А самые смелые теоретики присоединили к объединенному полю еще и гравитацию — всемирное тяготение. Получилась чрезвычайно сложная теория, где на каждом шагу встречаются неожиданные пропасти, тупики и узкие скользкие тропы. Это область теоретических поисков и гипотез, полигон, где теоретики обкатывают свои творения. Здесь масса вопросов, мало ответов и много надежд.

На кухне у физиков.

Как открыть новую частицу?

Иногда это происходит случайно. Интересуются чем-то другим и неожиданно для себя натыкаются на новую, неизвестную ранее частицу. Как говорится, шел-шел и вдруг споткнулся о кошелек с золотом на дороге! Так был открыт позитрон, а в 50-х годах целое семейство странных частиц. Удивление физиков этим событием навечно запечатлено в их названии. Однако такое бывает редко. Как правило, частицы ищут по подсказке теоретиков, уже кое-что зная об их свойствах. Современный эксперимент слишком сложен и дорог, чтобы вслепую прочесывать дебри микромира, надеясь на удачу — авось, мол, повезет. Серьезный опыт сегодня стоит миллионы рублей и выполняется в течение нескольких лет. Это не пальба по площадям, а прицельный выстрел с закрытых позиций по цели с точно рассчитанными координатами.

Их расчет основан на теории, которую еще в прошлом веке создал французский математик Эварист Галуа. Ее основные положения он записал в ночь перед роковой дуэлью. На следующий день выстрел из пистолета оборвал жизнь двадцатилетнего ученого. Он умер, так и не узнав, что создал одну из самых замечательных математических теорий.

Галуа изучал симметрию среди элементов множеств. Что такое множество, теперь знают уже в начальной школе, а во времена Галуа этим занимались лишь немногие математики. Так вот, двадцатилетний Галуа вывел правила, на основании которых из элементов множества можно составить изолированные группы — семейства, члены которых симметричны. Когда совершается какое-либо преобразование множества (например, те, которые изучают в школе, — отражение, вращение, сдвиг и тому подобное), члены каждой из групп просто меняются между собой местами. Преобразование изменяет соотношения между элементами множества, а внутри семейств они остаются неизменными. Правилами Галуа сегодня и пользуются физики, чтобы находить семейства частиц — мультиплеты. Их члены — разные состояния одной и той же частицы. Как лампочка, вспыхивающая разным цветом, или что-то вроде кристалла, каждая грань которого — новое состояние. Именно так теоретики пришли к идее кварка. По правилам теории Галуа были вычислены мультиплеты адронов, и простейший из них был назван кварком.

Самое трудное — выявить симметрию. Обычно она сильно замаскирована расщеплением масс частиц. Здесь легко ошибиться. Поэтому всякий раз, когда в свойствах частиц удается найти новую симметрию, это бывает важным событием в физике. Последующее, как говорится, уже дело техники.

А когда параметры частицы определены, в игру вступает эксперимент. Бывает, что в рассчитанном месте частицу не находят, и теоретикам снова приходится садиться за расчеты: уточнять симметрию, вычислять новые мультиплеты, прикидывать, какой, легкой или тяжелой, должна быть частица, определять реакции, в которых вероятнее всего ее присутствие. Не зря говорят, что теоретик работает в основном на мусорную корзинку! Прежде чем будет получен результат, ему приходится опробовать и сопоставить кучу вариантов.

Теория в современной физике занимает исключительное место. Она строит мосты между островками разрозненных экспериментальных фактов и, выдвигая гипотезы, позволяет далеко уходить от них в область неизвестного.

Подведем итоги

Подсчитаем, сколько же теперь, после всех слияний и объединений, осталось у нас частиц.

Для построения адронов нужны три частицы: кварк, антикварк и глюон. Добавив к ним электрон, позитрон и фотон, построим все атомы (позитрон нужен, чтобы построить антивещество). Два тяжелых лептона и три нейтрино нужны для объяснения распадов частиц. Наконец, чтобы слить атомы в большие макроскопические тела, требуется еще квант поля тяготения — гравитон.

Итак, семь частиц-кирпичиков, столько же «антикирпичиков» и три склеивающих частички. Весь мир из семнадцати частиц!

В электрослабой теории число склеивающих частиц остается неизменным, так как три тяжелых брата-мезона и фотон — одна семья — частица. Зато число кирпичиков сокращается: электрон и нейтрино рассматриваются, как два состояния одной и той же частицы, то же для мю- и тау-мезонов. Вместо шести лептонов стало три. Однако для внутренней согласованности теории пришлось допустить, что в природе существует еще один тип частиц — несколько напоминающих пи-мезон, но подобно глюонам обладающих свойствами саморазмножения и самосклеивания. Их называют хиггсонами, по имени английского теоретика П. Хиггса, который первым начал изучать их свойства. Хотя хиггсоны еще не обнаружены на опыте, большинство физиков не сомневается в их существовании. В следующей главе мы увидим, что они играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной, и это еще больше повышает интерес к этим частицам.

В целом число частиц сократилось на пять единиц — с семнадцати до двенадцати.

Объединение электрослабого и сильного взаимодействий уменьшило число частиц до семи. Остались кварк (лучше сказать, лептокварк), антикварк, увеличивший число своих состояний глюон, гравитон и несколько (скорее всего, три) хиггсонов.

Если не считать хиггсовых частиц, число которых пока еще зависит от конкретного варианта теории, то после «великого объединения» всех четырех типов взаимодействий остаются только три частицы: частица-кирпичик, соответствующий ей «антикирпичик» и частица-волан.

Казалось бы, наконец-таки физика достигла самого дна природы: объединены все силы, число частиц сокращено до предела, создана и шлифуется единая теория. Природа, однако, любит сюрпризы. Внутри новой теории физики неожиданно обнаружили мину, готовую вдребезги разнести все надежды на построение «последней теории всех сил и взаимодействий».

Физические теории обладают замечательным свойством: их математические формулы не просто описывают опыт, а являются его обобщением, и поэтому их содержание всегда значительно богаче исходных экспериментальных данных. Они предсказывают новые факты и часто приводят к выводам, которые их создатели не ожидали. Так случилось и в этот раз. Из формул теории следует, что лептоны и кварки, по-видимому, состоят из еще более мелких «зернышек».

Час от часу не легче! Значит, опять новые частицы и новые виды взаимодействий? И все пошло по новому кругу?

Пока можно говорить лишь об идее. Свойства и число «зернышек» не известны, они изменяются от одного варианта теории к другому. Даже общепринятого названия у «зернышек» еще нет. Часть физиков использует приставку «пре» и называет их «прекварками», другие ученые говорят о пракварках (вспомним слова «прабабушка», «прадедушка»), а некоторые предпочитают словечко «преоны». Есть и другие названия.

Прачастиц, по-видимому, два или три семейства, каждое из которых состоит из нескольких «прасестер» и «прабратьев». Известно несколько наборов таких «мозаик», и пока не ясно, какому из них следует отдать предпочтение.

После надежд на построение единой всеобъемлющей теории результат весьма неожиданный и обескураживающий…

Впрочем, неожиданным он кажется лишь с первого взгляда. Если посмотреть внимательнее, то, напротив, он выглядит вполне естественным. Уж очень сложными стали семейства кварков и глюонов! Трудно поверить, что «самые элементарные» частицы характеризуются столь большим числом параметров. История науки говорит, что каждый раз, когда элементарный объект становился слишком сложным, в нем обязательно находили более простые составляющие. Так было с атомом, с его ядром, с элементарными частицами. Физика ступала на следующую ступень структурной лестницы, и картина упрощалась. По-видимому, это повторяется и в случае кварков. Простейшими их можно назвать лишь условно. У них целый гардероб «платьев», «пальто» и «шуб». Их простота подобна кажущейся простоте часов, которые мы носим на руке, — металлический кружок с двумя стрелками, только и всего, а если покопаться…

Салам и Пати первыми заметили, что параметры всех двадцати четырех членов кварк-глюонного семейства можно получить сложением трех преонов. Теперь и теория «великого объединения» подсказывает, что частица-кирпичик, а вместе с ней и склеивающая частица-волан являются составными. Число самых простейших снова стало расти.