Гипотеза световых квантов, несмотря на резкое противоречие с классической электродинамикой, не только утвердилась в физике, но вскоре стала применяться при описании механизма излучения атомом. Непосредственного доказательства существования новых частиц — световых квантов — пришлось дожидаться около 20 лет, но это не были годы пассивного ожидания. Можно без всякого преувеличения сказать, что эйнштейновская модель вынесла на своих плечах весь первый период развития квантовых идей.

Прямая экспериментальная регистрация квантов света (более широко — квантов электромагнитного поля!) произошла в процессе исследования рентгеновских лучей. Как мы помним, примерно к 1912 году была доказана их электромагнитная природа. Однако при рассеянии веществом рентгеновские лучи обнаруживали несколько странное поведение — часть рассеянных волн имела меньшую частоту. Эффект уменьшения частоты (или увеличения длины волны) был найден уже в 1913 году, и это был еще один факт, противоречащий классической электродинамике, не допускавшей, чтобы рассеяние волн сопровождалось такого рода изменениями. Через 9 лет молодой американский физик А. Комптон, тщательно исследовавший странное явление, пришел к выводу, что наблюдаемое уменьшение частоты связано с потерей импульса световыми квантами в результате соударений с электронами. Тем самым было доказано, что квант, как и любая другая частица, несет и энергию и импульс.

А. Комптон придумал для новых частиц отличное название — фотоны. С тех пор сдвиг длины волны рассеянного излучения именуется «эффектом Комптона».

Не менее интересна и история предоткрытия, а потом и экспериментального обнаружения третьего патриарха микромира — протона. В этой истории удивительно сильно сконцентрированы все надежды и достижения первопроходцев физики элементарных частиц.

Четкая формулировка исходной гипотезы о существовании некой частицы, несущей положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона, но имеющей примерно в 1840 раз большую, чем у электрона, массу, принадлежит Э. Резерфорду. Она логически неизбежно вытекала из результатов работ по классификации известных атомных ядер. Все они выстраивались в последовательную цепочку по величине электрического заряда, который, в свою очередь, соответствовал порядковому номеру вещества в периодической системе элементов Д. Менделеева. Таким образом, ядро атома водорода, несущее единичный положительный заряд, должно было представлять собой элементарный объект, который одновременно играл роль строительного кирпичика для остальных ядер.

Гипотеза Э. Резерфорда была настолько естественна и остальные параметры этой, названной протоном, частицы были вычислены до того надежно, что, пожалуй, ни у кого и не должно было возникнуть серьезных сомнений в ее существовании. Прямая же экспериментальная регистрация новой частицы состоялась только через несколько лет, в 1925 году.

Вскоре после открытия атомных ядер Э. Резерфорд поставил перед своей лабораторией труднейшую задачу — вызвать искусственную радиоактивность, обстреливая ядра альфа-частицами.

Действительно, если ядра способны к самопроизвольным превращениям, в результате которых происходит испускание, например, тех же альфа-частиц (так называемая естественная радиоактивность), то почему нельзя добиться аналогичных превращений искусственно, с помощью подобающих «мер внушения»?

Сам Э. Резерфорд предпринял, начиная с 1919 года, ряд попыток расщепить ядро; но полученные им данные не были достаточно убедительны. Тогда эстафету учителя принял представитель старой резерфордовской гвардии П. Блэккет.

Изучая рассеяние альфа-частиц на азоте, П. Блэккет блестяще справился с предложенной проблемой. Но новая элементарная частица не очень-то стремилась к саморекламе. В процессе ее поиска ему пришлось пересмотреть более 20 тысяч фотографий, где было зарегистрировано около полумиллиона траекторий одних только альфа-частиц. И лишь среди них он сумел отыскать восемь редких событий: ядра азота захватывали альфа-частицу и превращались в ядра кислорода, испуская протон!

Так на физическую сцену вышел главный герой современной физики высоких энергий — протон. У него пока почти все впереди. Он еще доставит десятки бессонных ночей экспериментаторам, теоретикам, конструкторам уникальных приборов. Одно упоминание о нем будет приводить в трепет правительственные комиссии по финансированию науки. И в довершение всего он окажется на редкость «неблагодарным» — первым из представителей микромира подаст глубоко обоснованный протест по поводу столь привычного и безобидного прилагательного «элементарный». Но все это впереди, а пока нам необходимо в корне пресечь одно назревающее недоразумение.

Только что было сказано, что протон обнаружился при просмотре фотографий. А можно ли сделать фотопортрет элементарного объекта, размеры которого примерно в сто тысяч раз меньше атома? Любой начинающий фотолюбитель скажет, что этого не может быть. И окажется вполне прав, хотя… портреты протона все-таки существуют.

Фотопленка фиксирует, конечно же, не самих героев микромира, а следы, которые они оставляют в том или ином веществе, и которые, как правило, видны даже невооруженным глазом. Но наши герои — великие конспираторы: они никогда не оставляют следов где попало. Поэтому вещество, в котором мы хотим зафиксировать движение микрочастиц, должно быть приведено в особое состояние и реагировать на появление долгожданных гостей так, чтобы глаза или фотоаппарат могли уловить эту реакцию. В общем, это напоминает устройство специальных полос разрыхленной земли вдоль государственных границ — любой пешеход-нарушитель поневоле должен оставить свою «визитную карточку».

А теперь нам снова придется взглянуть на события достославного 1897 года. Взглянуть для того, чтобы исправить небольшую неточность и сказать: это не просто дата рождения электрона, а дважды юбилейный год, ибо тогда был создан прибор, который сами же физики называли «уникальным окном в ядерный мир».

Итак, в 1897 году двадцативосьмилетний физик Ч. Вильсон, исследовавший проблему конденсации облаков из водяного пара, открыл интересный эффект. Известно, что в воздухе, перенасыщенном водяными парами, мельчайшие частички пыли становятся центрами конденсации влаги. Из огромного количества таких центров формируются симпатичные белые облачка и устрашающие «свинцовые» тучи. Ч. Вильсон обнаружил, что после достаточно полной очистки воздуха роль пылинок начинают играть заряженные частицы, например, ионы, вокруг которых охотно образуются капельки воды. Отсюда немедленно следовала идея прибора — регистратора невидимок.

В сосуде, снабженном поршнем, создавалось насыщение водяного пара, затем с помощью поршня резко менялось давление и достигался нужный уровень перенасыщения, а в такой ситуации попадавшие внутрь заряженные частицы оставляли следы — полоски тумана. Так родилась знаменитая «камера Вильсона». Вскоре она была использована для исследования характеристики электрона, сослужила добрую службу в выяснении природы радиоактивности и, наконец, помогла П. Блэккету открыть протон.

Физика элементарных частиц родилась в процессе исследования всевозможных загадочных излучений. Поиски разгадок, несомненно, принесли замечательные плоды, но эти плоды не имели даже привкуса окончательной ясности и не сулили вкусившему их долгожданной радости. Катодные лучи — поток электронов? Очень хорошо! А почему электрон несет заряд, составляющий 1,6021892 ∙ 10^-19 кулона? Почему электрический заряд протона по абсолютной величине с поразительной точностью совпадает с зарядом электрона, тогда как масса протона в 1836,15152 раза больше?

И конечно, существует множество других трудных вопросов, появившихся вместе с первыми частицами и до сих пор не имеющих ответа.

Имея в виду этот несколько грустный пример, перейдем к правилам внутриатомного движения электрона. Почему в них разрешено движение только по строго определенным боровским орбитам? Л. де Бройль ответил на этот вопрос следующим образом: вместе с электроном на орбите присутствует волна, и вот именно она может существовать только в некоторых строго определенных случаях.

Вот, оказывается, в чем суть дела! Будь электрон просто частицей, он мог бы носиться вокруг ядра на любом расстоянии. Но его неизбежно сопровождает волна, и ему приходится думать и о ее существовании. А волна, в свою очередь, «выбирает» только те орбиты, на которых она может уложиться целое число раз. Иными словами, отношение длины окружности, по которой бегает электрон, к длине сопровождающей его волны непременно должно быть целым числом. Очевидно, что орбиты, удовлетворяющие этому условию, окажутся выделенными, а на всех остальных орбитах просто не хватает места для того, чтобы «электронная волна» бежала по замкнутой окружности, уложившись в ней целое число раз.

Исходя из таких соображений, Л. де Бройль сумел объяснить закономерности расположения электронных орбит в атоме и правила, по которым атомы излучают фотоны строго определенных частот. Это был огромный, но отнюдь не главный успех молодого исследователя. Из его гипотезы следовало, что волновые свойства электронов должны проявиться и вне атомов. В частности, электроны должны были рассеиваться на достаточно малых препятствиях, подобно электромагнитным волнам, в частности, свету, образуя дифракционную картину.

Дифракция — очень интересное явление. Его обнаружение явилось в свое время решающим аргументом в пользу волновой теории света. Еще древние греки догадывались, что свет распространяется прямолинейно, от какого источника он бы ни исходил: от гигантского Солнца или от маленького костра. И. Ньютон положил этот факт в основу своей теории, считая, что свет состоит из мельчайших частичек — особых световых корпускул. С такой точки зрения легко и наглядно объясняется, например, образование тени. Скажем, в яркую, солнечную погоду многие пользуются зонтиками. Это простейшее приспособление для того, чтобы избежать чрезмерного загара; оно действует по принципу поглощения светового потока. Для световых корпускул зонтик играет роль экрана. Такова же его роль и во время дождя, когда экранируется поток дождевых капель. В первом случае зонтик отбрасывает тень на тротуар, а во втором — образуется небольшой сухой круг, в который не могут попасть капли.

Казалось бы, налицо полная аналогия между световыми и дождевыми корпускулами! Но уже довольно давно был обнаружен и один «неприятный» факт: края тени оказываются всегда несколько размытыми. При более подробном изучении рассеяния света на небольших препятствиях или при его прохождении сквозь малые отверстия физики выяснили, что свет попадает и туда, куда не должен был бы попадать ни в коем случае, будь он и в самом деле потоком ньютоновских корпускул. Скажем, проходя сквозь малое отверстие, свет оставляет на экране яркое пятно, но вокруг этого пятна появляются дополнительные кольца. Аналогичная картина возникает и в том случае, когда на пути светового луча помещается небольшой предмет — помимо главной тени, на экране образуются дополнительные затененные места.

Все эти явления нельзя понять с точки зрения модели прямолинейно распространяющихся световых корпускул. Если эта модель была бы верна, то зонтик или любой другой предмет отбрасывал бы абсолютно четкую, словно «ножом обрезанную» тень, не говоря уж о том, что не появлялись бы дополнительные кольца освещения или затенения. Зато такие эффекты легко объяснялись в волновой теории, согласно которой свет, как и всякая волна, должен был слегка огибать края препятствия, проникая в, казалось бы, запрещенную зону. Это явление и называется дифракцией.

Разумеется, видимый свет представляет собой лишь частный случай электромагнитного поля. Поля с другими характерными длинами волн — радиоволны, рентгеновские лучи, гамма-излучения — также способны испытывать дифракцию на различных препятствиях, однако, чтобы образовалась ясная волновая картина, необходимо ставить опыты с такими предметами или отверстиями, которые соизмеримы с длиной падающих на них волн. Это условие нетрудно выполнить, например, для радиоволн, длина которых практически заключена в интервале от долей сантиметра до сотен километров. Препятствия такого размера, как говорится, всегда под рукой. Но чем короче волны, тем труднее отыскать необходимые препятствия. Скажем, для появления хороших дифракционных картинок при рассеянии обычного видимого света приходится устраивать особые сверхтонкие решетки. Но уже для рентгеновских лучей, обладающих гораздо меньшей длиной волны, никакими механическими средствами такие решетки сделать нельзя. Как вы помните, для доказательства их волновой природы пришлось использовать естественные тончайшие структуры кристаллических решеток вещества.

Такого же рода проблемы приходилось решать и для экспериментального открытия волновых свойств электронов, предсказанных Л. де Бройлем. Физики заранее представляли себе, что длины волн в случае электронов очень малы, и только атомно-молекулярные кристаллические решетки помогут подтвердить или опровергнуть замечательную гипотезу. В этом плане поиск ответа был достаточно целенаправленным, однако «господин Счастливый Случай» и на этот раз сказал свое веское слово…

В 1928 году американские физики Ч. Дэвиссон и Л. Джермер изучали рассеяние электронов на никеле. В распределении рассеянных частиц исследователи наблюдали какие-то слабо выраженные максимумы — своеобразное усиление «засветки»; но, поскольку эффект был очень незначительным, никто не обращал на него внимания. Во время одного из экспериментов произошла неприятность — в прибор проник воздух, и никелевый образец окислился. Чтобы не терять времени на поиск нового образца чистого никеля, физики решили устранить окисную пленку, прокаливая никель в вакуумной камере.

Повторив опыт с обновленным образцом, они увидели, что максимумы стали гораздо заметней. Конечно, сначала этот факт вызвал немалое удивление, но получившееся распределение рассеянных электронов до того напоминало известные дифракционные картинки для света и рентгеновских лучей, что не оставалось и тени сомнения — открыта дифракция дебройлевских электронных волн! Прокаливание никелевого образца в вакууме оказало неоценимую услугу, так как наряду с устранением окисной пленки произошло укрупнение кристаллов никеля. Благодаря этому слабо выраженная дифракционная картина стала отчетливой, и рядовая работа привела к открытию мирового значения.

Буквально через несколько месяцев блестяще завершились эксперименты профессора Абердинского университета Дж. П. Томсона, который исследовал рассеяние электронов на тонких золотых пластинках, специально приготовленных для проверки дебройлевской гипотезы. Полученные им фотопластинки демонстрировали удивительное сходство с уже известными результатами опытов по дифракции рентгеновских лучей. Так сын (Дж. П. Томсон — сын известного «Джи-Джи») немного «подправил» открытие отца, доказав, что сторонники волновой природы катодных лучей были не так уж далеки от истины.

Независимо от американцев и англичанина дифракция электронов была зарегистрирована в опытах советского физика П. Тартаковского.

История предсказания и открытия волновых свойств электрона необычайно богата событиями, которые произошли на более поздних этапах развития физики элементарных частиц. Посмотрите, как интересно получается!

Во-первых, работы Л. де Бройля знаменовали первую серьезную смену моделей самой элементарной частицы. Немного перефразируя упомянутое ранее высказывание Г. Липсона по поводу открытия электрона, можно отметить, что после этих работ теория частиц никогда уже не будет похожа на ту, которая существовала до установления волновых свойств.

Во-вторых, в гипотезе Л. де Бройля был использован в предельно чистой форме метод аналогий, который является практически основным методом построения новых теоретических моделей, особенно в период бурного развития определенного раздела науки. Именно аналогии позволяют современным теоретикам добиваться понимания удивительно тонких закономерностей микромира.

В-третьих, опять-таки в очень чистой форме здесь можно наблюдать всю важность теоретического опережения. Ведь, казалось бы, ничто не мешало тому же Дж. Дж. Томсону предвосхитить открытие собственного сына на 30 лет. В его лаборатории было все необходимое — и хороший поток электронов, и золотая фольга, и фотопластинки, и… не хватало только идеи дифракционного эксперимента. Можно возразить: в то время еще не знали, что фольгу следует использовать в качестве своеобразной дифракционной решетки. Пусть так, но ведь и этот факт был установлен за 16 лет до опытов Дэвиссона-Джермера и Дж. П. Томсона!

Новое свойство электрона вскоре было поставлено на службу науке. Из модели Л. де Бройля следовало, что длина волны частицы обратно пропорциональна ее импульсу: то есть с помощью достаточно быстрых электронов можно в принципе разглядеть отдельные атомы! Так родилась идея электронного микроскопа, первый образец которого заработал уже в 1931 году. Правда, практически увидеть отдельные атомы с его помощью так и не удалось, но после некоторых усовершéнствований было достигнуто примерно 100 000-кратное увеличение, и физики смогли как следует разглядеть молекулярную структуру кристаллов.

Впоследствии удалось добиться еще большего увеличения, используя вместо электронов тяжелые ионы: на так называемом микроскопе Мюллера были получены красивые дифракционные картинки — снимки атомов.

Электронная микроскопия совместно с рентгеноскопическими методами буквально преобразовала экспериментальную базу биологии. С их помощью был разгадан наследственный код и решено множество других важных задач.

Обнаружив такие выдающиеся способности электрона при исследовании структуры вещества, ученые не могли, конечно, пройти мимо соблазна использовать их для решения фундаментальных физических проблем. Физики довольно рано осознали, что наряду с зондированием атомно-молекулярной структуры электронный пучок с достаточно малой длиной волны способен дать важнейшую информацию о внутреннем устройстве атомных ядер и даже отдельных элементарных частиц. Но для этого необходимо преодолеть немалый барьер — научиться создавать пучки частиц с исключительно высоким импульсом. Так постепенно зарождались взгляды, открывшие новую эпоху в исследованиях микромира.

Итак, электроны продемонстрировали волновые свойства. Если разобраться в исторических фактах, то «генеалогическому древу» физики элементарных частиц ничего не угрожает. Ведь гипотезы о непрерывной (читай — волновой) субстанции, лежащей в основе всех вещей и пронизывающей пространство и время, также восходят к древним грекам. Они встречаются у великого Платона, их сторонником был, по-видимому, и сам Аристотель. Корпускулярной теории света, сформулированной во второй половине XVII века Исааком Ньютоном, противостояла волновая концепция крупнейшего авторитета в области оптики и в других разделах физики — X. Гюйгенса. И так во всей истории физики: когда один ученый говорил — «частица», почти сразу же находился другой, заявлявший не менее убедительно — «волна».

Борьба мнений в науке — необходимый и интересный процесс, но… Что же такое эти элементарные частицы на самом деле? Частицы ли это в собственном смысле слова, то есть нечто более или менее твердое, обладающее резко выраженной границей или «размазанные» по всему пространству волны?

Дальнейшее движение вперед без ответа на этот вопрос невозможно. Поэтому нам предстоит совершить еще одно путешествие в те же времена.

Маршрут № 3. Снова квантованный мир

Пока вне поля нашего зрения остались события, которые уже с 1927 года повели физику элементарных частиц по новому пути. Электрон оказался и не волной и не частицей (в классическом понимании этих образов), и древний как мир спор стал объектом внимания историков от науки и философов.

Вкратце ход решения двадцатипятивековой дилеммы выглядит следующим образом. Через некоторое время после публикации дебройлевских работ ими заинтересовался австрийский физик-теоретик Э. Шредингер. В серии работ, выполненных в 1925–1927 годах, он довел гипотезу Л. де Бройля до уровня серьезной теории и вполне справедливо назвал ее волновой механикой.

Огромное преимущество такого подхода перед так называемой «старой квантовой механикой» заключалось в построении ясного и предельно общего метода решения любой задачи о поведении микрочастиц. Этот метод был основан на знаменитом уравнении Шредингера для дебройлевских волн. Это уравнение связывало всякое изменение волны во времени с энергией частицы, с которой сопоставлена эта волна. Достаточно было только выяснить вид потенциальной энергии взаимодействия двух или нескольких частиц и ввести эту функцию в уравнение — дальше возникала чисто математическая (лишь в редких случаях — простая!) проблема. На основе такого метода практически все задачи, которые с великими трудностями и не менее великим искусством решали создатели старой квантовой механики, в первую очередь Н. Бор и его ученики, становились едва ли не упражнениями для студентов (сейчас они входят в программу III–IV курсов университета!). Но не менее важно и то, что был расчищен путь к задачам, о которых раньше и мечтать не смели.

Отдавая должное замечательным качествам волновой механики, Н. Бор и многие другие физики непрерывно полемизировали с Э. Шредингером по поводу трактовки волновой функции, для определения которой и было написано «всемогущее» уравнение.

Особую остроту этим спорам придавала та позиция, которую твердо занял Э. Шредингер. Он оказался, как говорится, «еще большим католиком, чем сам папа римский» и выдвинул идею, что в природе нет ничего, кроме волн! Это был существенный шаг за рамки исходной дебройлевской гипотезы. Никаких частиц на самом деле нет, утверждал австрийский физик, о них можно говорить лишь приближенно, с точки зрения классической физики, а для волновой механики этот образ совершенно лишен смысла!

Э. Шредингер полагал, что волновая функция описывает реальный волновой процесс в пространстве подобно тому, как формулы напряженности полей описывают электромагнитные волны. Если же концентрация дебройлевских волн в некоторой малой области пространства очень велика, то возникает «нечто», напоминающее частицу в обычном классическом понимании этого слова, — своеобразный волновой сгусток, ведущий себя как частица.

Дискуссия по этому поводу затронула практически всех крупнейших физиков того времени, и большинство из них не согласилось с чисто волновой концепцией электрона, считая, что частицы так или иначе должны остаться частицами. Однако сохранять корпускулярные представления стало тоже далеко не простым делом, и решение проблемы было найдено на весьма оригинальном и неожиданном пути.

В 1927 году один из лидеров «квантовой революции», М. Борн, прославившийся рядом глубоких работ в различных разделах теоретической физики, рассматривал задачу о рассеянии электронов с помощью уравнения Шредингера. Получив формальное решение, он приступил к анализу едва ли не самого сложного вопроса: что же скрывается за красивыми математическими выражениями волновой теории? М. Борн старался взглянуть на постановку задачи и на конечный результат глазами экспериментатора. Независимо от того, что теоретики «измыслили» волновое уравнение и стараются ограничить себя только волновыми представлениями, рассуждал он, экспериментаторы всегда говорят о потоке частиц, о регистрации частиц… Может быть, это лишь вопрос удобства тех или иных слов? Может быть, люди, занятые постановкой опытов, просто не склонны к более глубокому постижению законов природы и абстрактному волновому подходу?

Нет, продолжал он, надежда на «близорукость» экспериментаторов ничем не оправдана, скорее наоборот, волновая теория не дает ясного ответа на вопрос, откуда берутся мельчайшие частицы вещества, занимающие чрезвычайно малый объем пространства. Ведь именно с ними приходится иметь дело в реальных опытах! А все слова о том, что вместо всамделишных частиц наблюдаются какие-то концентрированные волновые образования, пока не имеют под собой серьезных теоретических и экспериментальных оснований. Поэтому необходимо найти такую трактовку волновой функции, которая позволила бы, с одной стороны, сохранить естественное представление о частицах, а с другой — объяснить своеобразные волновые закономерности в распределениях этих же частиц, получающихся, скажем, при исследовании рассеяния.

Исходя из таких соображений, М. Борн пришел к поразительному заключению. Оказалось, что все становится на свои места, если считать, что волновая функция характеризует вероятность того или иного состояния реальной частицы или совокупности частиц, а вовсе не какую-то реальность типа электромагнитной волны. Точнее говоря, квадрат модуля волновой функции описывает распределение вероятности определенного состояния частицы, например, ее положения в пространстве.

На первый взгляд борновская идея удивительно проста. Представим себе источник частиц, например, тех же электронов, из которого обстреливается некоторая мишень-рассеиватель, состоящая из таких же электронов и атомных ядер. За рассеивателем перпендикулярно к направлению движения пучка электронов расположен экран, реагирующий на попадание частицы слабой вспышкой света, как говорят физики — сцинтилляцией. Если источник начнет работать в одиночном режиме, то есть электроны будут выпускаться по одному, то в разных точках экрана через определенные промежутки времени будут регистрироваться отдельные вспышки, свидетельствующие о попадании отдельных частиц. Если переключить источник на генерацию интенсивного пучка электронов, то на экране появится плотное распределение вспышек. Эта картина напоминает известное распределение света, рассеянного на некотором препятствии. Итак, в первом случае электроны ведут себя как обычные частицы, а во втором демонстрируют типично волновые свойства.

Проведем теперь следующий важный эксперимент, заменив сослуживший свою службу экран специальными чувствительными фотопластинками. На первую пластинку запустим интенсивный пучок электронов — на ней должна образоваться та же волновая картина, которая была видна в аналогичной ситуации и на сцинтиллирующем экране. Сменив пластинку, включим источник в одиночный режим, и пусть установка поработает некоторое время, набирая события.

Если экспозиция была достаточно длительной, то и на второй пластинке постепенно сформируется совершенно такая же картина, как и на первой.

Теперь пора делать некоторые выводы. Во-первых, волновые свойства никак не проявлялись в каждом отдельно взятом электроне. Зато они немедленно сказываются, как только электроны соберутся в большой коллектив, то есть мы наблюдаем волновую картину для распределения большого числа событий-вспышек на сцинтиллирующем экране. Во-вторых, волновая картина не зависит от того, произошли ли все события-вспышки одновременно после запуска на экран интенсивного потока электронов, или накапливались постепенно на фотопластинке при работе источника в одиночном режиме. Как же следует трактовать получившиеся распределения с точки зрения теории?

Прежде всего отметим, что уравнение Шредингера не дает никаких предсказаний о том, в какую конкретную точку попадет электрон. Тут царит чистая случайность — каждый электрон может, испытав взаимодействие с рассеивателем-мишенью, оказаться в любой точке фотопластинки, и, как мы убедимся немного позже, не существует средств, позволяющих сделать его судьбу более определенной. Но при регистрации большого потока частиц оказывается, что одни участки фотопластинки засвечены сильнее, а другие — слабее, то есть на первые участки электроны попадают чаще, чем на вторые. Это и приводит в конце концов к наблюдаемому неравномерному распределению, причем интенсивность засветки в каждой точке пластинки пропорциональна частоте попадания туда отдельных частиц. Если теперь принять полную интенсивность засветки всего экрана за единицу, то доля вспышек, приходящихся на одну точку, или, как говорят физики, относительная частота попадания, определит нам вероятность того, что любой отдельно выпущенный электрон окажется в конкретной точке экрана.

Попробуем немного изменить условия опыта и поместим между источником и регистрирующей частью (экраном или фотопластинкой) мишень из другого вещества. Картина распределения изменится; ведь электроны, вылетающие из источника, взаимодействуют теперь с другими атомами, однако принцип ее формирования останется прежним. Следовательно, распределения рассеянных электронов несут сведения о том, с каким веществом происходит взаимодействие. Речь опять-таки идет о вероятностной характеристике — разные атомы, на которых рассеиваются электроны, отбрасывают их в одну и ту же точку экрана с различной вероятностью.

Разумеется, результат любого такого опыта можно рассчитать заранее, решая уравнение Шредингера.

Таким образом, дебройлевские волны оказались лишь удобным вспомогательным приемом для вывода вероятностных характеристик поведения частиц в различных процессах. Такая точка зрения М. Борна, возможно, и не вызвала бы сильного потока споров, несмотря на чрезвычайную оригинальность. Более того, научная общественность с безусловным восторгом приняла бы ее в качестве временной меры спасения волновой механики, тем более что интерпретация, которой придерживался Э. Шредингер, была слишком уязвимой. Но ведь М. Борн настаивал на том, что вероятностные закономерности носят принципиальный характер и составляют суть квантовой теории.

Чтобы постичь преобразующую роль его позиции, следует обратить внимание вот на какие обстоятельства. Вероятностная точка зрения была известна и классической науке. Со случайными явлениями люди сталкивались и сталкиваются в самых разных областях практической деятельности.

Артиллерист, выпускающий снаряд по достаточно далекой (часто не видимой глазом) цели, никогда не может быть уверен в стопроцентном успехе. Как оценить его мастерство во время учений? Дать один снаряд и предложить в качестве мишени скрытый за небольшим холмом макет танка? Но ведь известно — опытный наводчик может и не попасть, а новичку, едва ли не впервые увидевшему орудие, удастся начисто смести макет. Случайность? Совершенно верно. Но нетрудно выяснить и закономерность. Уже при стрельбе несколькими снарядами выяснится, что взрывы опытного артиллериста происходят в среднем намного ближе к мишени, чем у новичка. Можно надеяться, что в первом случае макет будет разрушен гораздо быстрее. Источник случайности в этом примере вполне ясен — не видя цели, наводчик стреляет просто на определенное расстояние, потом немного меняет наводку, и так вплоть до попадания в мишень.

Классическая физика столкнулась со случайными событиями в процессе исследования природы тепловых явлений. Теплота обусловлена движением огромного количества молекул, образующих те или иные тела. В свою очередь, температуру тела можно определить через среднюю кинетическую энергию молекул. Пользоваться средними величинами в такой ситуации просто очень удобно и чаще всего вполне достаточно для практических целей. В классической физике предполагалось, что в принципе экспериментатор может проследить за траекторией каждой молекулы и, следовательно, полностью определить состояние микроскопического тела. Но поскольку это слишком сложная (в одном грамме обычного вещества насчитывается примерно 10²³ частиц!) и не очень полезная процедура, лучше пользоваться вероятностным распределением молекул по скоростям, или по энергиям, или по импульсам и т. д.

В квантовой же теории ситуация радикально меняется. Теперь уже частицы подчиняются вероятностным закономерностям не потому, что определить истинную траекторию каждой из них практически слишком трудно. Такая задача, оказывается, вообще лишена смысла, поскольку траектории, попросту говоря, нет. Так микрочастицы потеряли еще одну «нормальную» черту поведения: двигаться по определенной траектории! Даже боровские орбиты электронов в атоме оказались всего лишь приближенным понятием — квантовая теория позволяет нам только узнать, с какой вероятностью электрон может находиться на том или ином расстоянии от атомного ядра.

Глубокая причина «потери траектории» электронами и другими микрочастицами была установлена немецким физиком-теоретиком В. Гейзенбергом, доказавшим знаменитые соотношения неопределенностей (соотношения Гейзенберга). Согласно этим соотношениям точное определение положения частицы в пространстве (ее координаты) и ее импульса или скорости в один и тот же момент времени невозможно.

Как мы увидим в следующей главе, увеличение точности в определении координаты приводит к увеличению погрешности в измерениях импульса, и наоборот. А «потеря траектории» происходит потому, что классическая траектория требует непременного знания положения частицы и ее скорости (или импульса) в любой момент времени. Таким образом, «потеря» видна непосредственно из точной формулировки соотношения Гейзенберга: произведение неопределенности импульса на неопределенность координаты больше или равно постоянной Планка.

Только теперь, в самом конце путешествия в квантованный мир, в нашем рассказе прозвучало имя человека, первым ступившего на его трудные тропы. Еще в 1900 году немецкий физик М. Планк, пытаясь преодолеть серьезные трудности классической физики, натолкнулся на замечательное линейное соотношение между энергией электромагнитного поля и его частотой. В качестве коэффициента пропорциональности он предложил ввести новую фундаментальную постоянную и оценил ее величину, исходя из опытных данных. Впоследствии эта постоянная, которая входит буквально во все уравнения и соотношения квантовой теории, получила название константы Планка. Она обозначается символом и имеет размерность произведения энергии на время или импульса на координату (h ≈ 10^-27 эрг ∙ сек.). Константа Планка символически разделила историю физики на две части — классическую и квантовую — и, как мы только что убедились, сыграла выдающуюся роль в новом понимании закономерностей микромира.

Примерно три первых десятилетия после открытия элементарных частиц физики практически полностью занимались решением главной проблемы того времени — созданием атомной и молекулярной физики. Для планомерного наступления на тайны самих частиц еще не были готовы необходимые экспериментальные и теоретические средства. Но многие из них как раз и появились в процессе расшифровки атомно-молекулярной структуры вещества.

На рубеже 30-х годов произошел явный перелом. Воодушевленные блестящими и довольно быстрыми победами в исследовании атома, физики начали по-настоящему пристреливаться к атомным ядрам и их составляющим. И хотя очередное десятилетие стало скорее «ядерным», физика элементарных частиц успела обзавестись таким количеством новых загадок, что их решение стало совершенно безотлагательным делом. Делом чести физики XX века!

Но рядом уже развивается совсем иная деятельность. В 1895 году русский А. Попов и итальянец Г. Маркони демонстрируют удивительные приборы — первые радиоприемные устройства, в основе изобретения которых лежит не простой поиск методом перебора, а четкое представление о недавно открытых Г. Герцем электромагнитных волнах.

Ясно, что здесь мы сталкиваемся с качественно иной ситуацией. Попробуйте вообразить себе создание радиоприемника без предшествующих чисто научных исследований быстропеременных токов, без обнаружения особых волн, генерируемых колебательным контуром. И уж совсем мистическим актом воображения представляется, скажем, создание лазера без глубокого знания квантовой теории атомно-молекулярных систем.

Из этого вовсе не следует какое-либо преуменьшение роли поиска методом проб и ошибок. Между предсказанием большого выхода энергии в процессе деления ядра урана и созданием реального ядерного реактора — дистанция огромного размера. Но тут важна принципиальная сторона вопроса — без тщательного чисто научного анализа энергетики ядерных реакций, без теории «дефекта массы», основанной на эйнштейновской связи между энергией и массой, вряд ли мы были бы даже знакомы с такими словосочетаниями, как «ядерный реактор», «термоядерный реактор» и т. п.

Чисто рецептурная наука уходит в область преданий. Сегодня будущее наступает гораздо быстрей, чем в далекие времена. Аккумулировать опыт поколений в виде каких-то практических рецептов, попросту говоря, некогда — в тупике могут оказаться не столько далекие потомки, сколько ныне здравствующие люди. Наука XX века стала активно продуцировать «заготовки впрок». Исследования, направленные на выяснение механизма явления, порождают новые исследования — процесс становится лавинообразным. Получается так, что по большинству стоящих перед обществом проблем ученые способны либо немедленно сформулировать конкретные практические рекомендации, либо указать ясные пути их выработки. И в этом важнейший источник высокого престижа естественных наук.

Но, возможно, самое любопытное состоит в том, что взрыв исследовательской активности буквально на наших глазах сметает глубоко укоренившееся представление о самой науке как о непоколебимом своде фундаментальных законов природы, огромном храме — хранилище неоспоримой истины. Эти, в общем-то, славные образы — типичное наследие старых добрых «медленных» времен, когда по одним и тем же учебникам превосходили премудрость десятки и десятки студенческих поколений, а научные статьи не успевали безнадежно устаревать еще до выхода в свет; когда ученые были скорее жрецами-добровольцами, а не научными сотрудниками с годовыми, пятилетними и перспективными двадцатилетними планами работы.

Прорыв в мир частиц высоких энергий связан с формированием науки нового типа. Физика высоких энергий дала первый образец сверхбыстрого развития и в постановке основных задач, и в методах организации исследований. Этот блестящий взлет произошел в удивительно короткий срок благодаря счастливому сочетанию двух, быть может, важнейших человеческих качеств — неиссякаемой изобретательности и умения жертвовать сиюминутными интересами ради Будущего с большой буквы. Именно это и позволило перейти к созданию самых-самых (больших, сложных, дорогостоящих…) приборов для изучения микромира — ускорителей заряженных частиц.

К концу 20-х — началу 30-х годов, когда помыслами физиков все сильней и сильней стали овладевать элементарные частицы и атомные ядра, выяснилось, что для серьезного движения вперед нужно срочно менять оружие. «Даровые» радиоактивные источники, которые верой и правдой служили науке много лет, не обеспечивали новых экспериментальных потребностей. Во-первых, они давали частицы с энергией, строго регламентированной законами радиоактивного распада. Во-вторых, эта энергия была не особенно велика — в лучшем случае порядка 10 МэВ. Кроме того, по ряду соображений для исследования ядер было выгодно использовать не альфа-частицы, а протоны.

Перед тем как перейти на долгосрочную и плодотворную работу в химии, биологии, геофизике и других областях науки, буквально «под занавес» радиоактивные источники сыграли одну из лучших своих ролей. С их помощью в 1932 году Дж. Чэдвик открыл долгожданную нейтральную составляющую атомных ядер — нейтрон, предсказанную его учителем Э. Резерфордом. Это открытие завершило длинную серию работ по установлению природы странного излучения, которое возникало в результате бомбардировки бериллия альфа-частицами и обладало высокой проникающей способностью. Дж. Чэдвик доказал, что при захвате альфа-частицы ядром бериллия образуется ядро углерода и испускается нейтральная частица, которая входила в состав одного из сталкивающихся ядер.

Экспериментальное обнаружение нейтрона позволило разработать простейшую составную модель ядра, о которой мы уже упоминали, вызвать искусственное деление тяжелых ядер и, наконец, в 1942 году запустить первую действующую модель ядерного реактора. Именно в связи с этой впечатляющей цепочкой завоеваний 30-е годы стали скорее «ядерными», чем «элементарно-частичными». Если когда-нибудь благодарные физики-ядерщики пожелают поставить монумент в честь одного из объектов своих исследований, то, на мой взгляд, это должна быть модель ядра гелия — великой альфа-частицы. Еще бы! Открытие атомных ядер в резерфордовских экспериментах, расшифровка протон-нейтронной структуры ядра произошли с ее помощью. Альфа-радиоактивность открыла путь в ядерный мир!

В высшей степени символично, что 1932 год оказался моментом передачи эстафеты — блестящий нейтронный финиш радиоактивных источников и практически сразу же мощный позитронный старт космических лучей. Старт был действительно превосходным, но многоопытные тренеры уже понимали, какие дистанции доступны для космических бегунов, а какие нет.

Космические лучи представлялись идеальным инструментом исследований по двум соображениям: их получение не требовало ни малейших расходов, и они обладали фантастически широким спектром энергий. Зато работа с ними основывалась на не слишком приятном принципе «ждать у моря погоды» и требовала невероятного терпения. Космическая частица с нужной энергией могла попасть в регистрирующее устройство сегодня, завтра, через год. Предположим, что небеса все-таки «являли милость», но это было одно, два, от силы десяток-другой событий. Что с ними можно сделать? Можно увидеть следы «неведомых зверей» — открыть новые частицы, можно зафиксировать новый тип процессов; в общем, установить уникальные факты существования чего-либо. Но получить более детальную информацию о поведении той же самой вновь открытой частицы в различных реакциях и при различных энергиях оказывается чрезвычайно сложным и слишком длительным делом. Ведь необходимо набирать сотни тысяч событий. В этом плане космические лучи могли оказать лишь одну услугу — дать предварительный сигнал о каких-то новых закономерностях.

Именно такова их основная специальность в настоящее время; и надо отметить, что зарекомендовали они себя в этом деле с лучшей стороны. Если учесть, что сейчас в составе космических лучей зарегистрированы частицы с энергиями до 10²¹ электрон-вольт, а на ускорителях изучают реакции при энергиях частиц лишь до 10¹² эВ, то становится ясно — им еще долго предстоит выполнять функции «стратегической разведки».

Все это неплохо — одним поставят памятник, другие уйдут в разведку. А кто же станет работать? Природа не позаботилась о достойной замене и не предложила ни одного естественного источника радиации, который помог бы обойти все наметившиеся трудности. Но физики уже представляли себе путь, по которому следовало двигаться, частицы должны ускоряться электрическим полем; в принципе так же, как и при получении катодных лучей (электронов с большими скоростями). Только электроны ускорялись разностью потенциалов всего в несколько тысяч электрон-вольт, а теперь нужны миллионы. Следовательно, необходимо решать электротехнические проблемы с созданием высоковольтных установок…

Между этими ранними идеями и действующими установками лежат годы трудных поисков, великолепные находки и тягостные сомнения, радужные и пессимистические прогнозы.

1918 год. Петроград. Город борется за новую жизнь. Трудно с хлебом, трудно с работой, по ночам на вымерзших, пустынных улицах нет-нет и вспыхивают короткие ожесточенные перестрелки… Но и здесь, в центре великого социального потрясения, с невероятным напряжением сил идет битва за будущее русской науки, закладывается основа уверенного взлета. И одним из первых пунктов программы научного развития стала организация радиевого отделения при Радиологическом и рентгенологическом институте.

Огромную роль в создании нового отдела сыграл энтузиазм тридцатилетнего Л. Мысовского, который уже несколько лет успешно занимался проблемами новой физики. Фактически он был первым и едва ли не единственным физиком России, приступившим к исследованиям радиоактивности в дореволюционное время.

В начале 1922 года радиевое отделение преобразуется в знаменитый Радиевый институт, где были сконцентрированы работы с применением ядерных излучений в самых различных областях науки. Руководство физическим отделом этого института было поручено Л. Мысовскому. Летом этого же года он представил на заседание ученого совета доклад по своей совместной со студентом Петроградского электротехнического института В. Рукавишниковым работе, где была сформулирована идея использования генераторов высокого напряжения для ускорения альфа-частиц до нескольких миллионов электрон-вольт.

Практически в это же время Патентное ведомство США рассматривало оригинальную заявку, поступившую из штата Пенсильвания. В ней молодой сотрудник исследовательской лаборатории фирмы Вестингауз Дж. Слепян предлагал несколько иную конструкцию установки для ускорения заряженных частиц, так называемый индукционный ускоритель электронов.

Так общие идеи превратились в конкретные, осязаемые проекты. Но лишь последующее десятилетие перевело интересные предложения на язык действующих моделей. В 1929 году в Принстонском университете заработал первый электростатический генератор Р. Ван де Граафа с ускоряющим напряжением до 80 тысяч вольт. Через два года на третьем варианте его установки было достигнуто напряжение в полтора миллиона вольт!

Еще через год английские физики Дж. Кокрофт и Э. Уолтон коротенькой заметкой в журнале «Нейче» («Природа») оповещают научную общественность о первой впечатляющей победе ускорительной эры. С помощью двухкаскадного генератора напряжения они создали пучок прогонов с энергией 710 тысяч электрон-вольт и обстреляли литиевую мишень. В результате столкновения протона с ядром лития образовывались две энергичные альфа-частицы, то есть наблюдалась реакция расщепления ядра. Таким образом, искусственная радиоактивность была получена при помощи искусственных же источников быстрых частиц!

Вскоре был придуман совершенно иной, оригинальный принцип ускорения. В 1929 году двадцативосьмилетний адъюнкт-профессор Калифорнийского университета Э. Лоренс изобрел циклотрон — прибор, основанный на резонансном ускорении заряженных частиц высокочастотным полем, по справедливости считающийся родоначальником обширного семейства современных гигантских машин.

Несколько уточняя генеалогию ускорителей, нельзя не напомнить, что по современным масштабам предки рода гигантов были воистину карликами. Первая модель циклотрона имела диаметр магнитных полюсов 10 (!) сантиметров и представляла собой крайне нелепое сооружение из стеклянных пластинок, скрепленных сургучом. Но самое любопытное в том, что эта конструкция, хранящаяся ныне в Лондонском научном музее, все же работала — по мере «слабых своих возможностей» — и ускоряла ионы водорода. Спустя некоторое время Э. Лоренс получил в подарок от крупной телеграфной компании 74-тонный электромагнит, который более десяти лет провалялся у нее на складе (выбросить жалко, продать — никто не купит). Магнит разместили в старом деревянном доме вблизи университета и стали монтировать большой циклотрон. На фасаде появилась интригующая вывеска: «Радиационная лаборатория»; и все просвещенное население небольшого городка Беркли с нетерпением ожидало приобщения к ядерным «таинствам». Монтаж и запуск ускорителя прошли вполне успешно, и в 1932 году физики получили хороший пучок протонов с энергией 3,6 миллиона электрон-вольт. Так произошло рождение замечательного прибора — циклотрона. А с небольшого деревянного дома начинался один из крупнейших в мире центров ядерных исследований — Берклиевская радиационная лаборатория имени Э. Лоренса.

Принцип действия лоренсовского ускорителя довольно прост и в основных чертах используется в последующих проектах, включая самые современные. Заряженные частицы нужно гонять по кругу, периодически подхлестывая высокочастотным электрическим полем так, чтобы в каждом цикле они приобретали дополнительный импульс. А удерживать их на круговой траектории должно особое магнитное поле, причем чем сильней действует магнит, тем меньше радиус окружности, по которой несутся частицы.

Но возможности проникновения в область миллиардов электрон-вольт с помощью такого циклотрона оказались закрытыми. На пути замечательной идеи стояли основные принципы теории относительности. Чем больше скорость частицы, тем больше ее масса, и этот рост массы разрушает цикличность процесса — поле начинает не вовремя подстегивать отяжелевшие частицы.

Выход из трудного положения был найден только в 1944 году советским физиком В. Векслером. Раз массы ускоряемых частиц растут, рассуждал он, значит, для сохранения их «нормальных отношений» с полями последние должны также меняться синхронным образом. При этом можно идти одним из двух путей: либо менять частоту электрического поля, либо — интенсивность магнитного. Выбор пути предоставлялся экспериментаторам и конструкторам.

Метод Векслера получил название автофазировки. Соответственно ускорители, где подстраивается частота электрического поля, стали называться красивым «высоконаучным» словом синхрофазотрон, а те, в которых нарастает магнитное поле, — немного короче: синхротрон. Как это нередко случается, краткость оказалась родной сестрой таланта — именно синхротроны обеспечили прорыв к самым высоким из достигнутых энергий.

В 1957 году в Дубне вступил в строй самый крупный в мире синхрофазотрон, разгоняющий протоны до энергии 10 гигаэлектрон-вольт. На этой машине физики Объединенного института ядерных исследований — крупнейшей международной организации, объединяющей усилия ученых социалистических стран, — выполнили ряд важных работ в ранее недоступном диапазоне энергий.

С той поры прошло немало лет. За это время свершилось множество замечательных событий. Энергии, полученные на ускорителях, возросли в 40 (!) раз. В 1967 году, словно отмечая юбилейное десятилетие дубненского ускорителя, заработал синхротрон Института физики высоких энергий в небольшом лесном поселке на берегу Протвы, вблизи старинного русского города Серпухова. А уже через пять лет неподалеку от Чикаго, в Батавии, вошел в строй еще более мощный ускоритель.

На серпуховской машине была достигнута рекордная для своего времени энергия протонов — 76 гигаэлектрон-вольт. В 1972 году на батавийском синхротроне был поставлен новый «мировой рекорд» — после многих переживаний и даже крупного срыва удалось получить 200-гэвный пучок протонов. Трудное начало словно подхлестнуло американских физиков. К настоящему времени в Национальной ускорительной лаборатории имени Э. Ферми — так стал официально именоваться батавийский центр — достигнут рубеж в 400 ГэВ, и, по-видимому, когда вы будете читать эти строки, в научных журналах появятся первые сообщения о результатах экспериментов при 500 ГэВ.

Замечательных успехов добились и в Европейском центре ядерных исследований, ЦЕРНе (так звучит сокращенное название этого центра, составленное из начальных букв французского выражения). Часть пучка «старого» ускорителя на 30 ГэВ, расположенного вблизи Женевского озера в Швейцарии, отводилась в специально построенное накопительное кольцо, а потом устраивалось почти лобовое столкновение основного и накопленного пучков. Благодаря этому физики смогли заглянуть в мир процессов, которые при использовании обычной неподвижной мишени могли бы наблюдаться только при 2000 ГэВ!

Мы не станем теперь по традиции останавливаться на главных итогах прорыва в мир высоких энергий — этому посвящены следующие главы книги. Отметим лишь следующее.

Появление мощных ускорителей сделало протоны основным инструментом исследований микромира, и в то же время они сами стали наиболее доступным предметом изучения. Поэтому не следует удивляться, что на передний план современной физики высоких энергий выдвинулись определяющие свойства этой замечательной частицы, прежде всего ее способность сильно взаимодействовать с веществом. Следующий этап развития физики элементарных частиц представляет собой преимущественно «адронную эру», которая пришла на смену «электронно-радиационной эре».

Советский физик, член-корреспондент Академии наук СССР Л. Окунь назвал адронами (от греческого «хадрос» — тяжелый) семейство сильновзаимодействующих элементарных частиц, в основном потому, что они обладают большими массами. Впрочем, адроны оправдали свое название и в ином отношении — их описание оказалось, пожалуй, весьма тяжелой проблемой даже для закаленной в электронных, квантовых, релятивистских и многих других сражениях, неустрашимой физики XX века…

Согласно библейской легенде Ной начал строить ковчег заранее и именно поэтому вполне благополучно пережил потоп. Нечто подобное произошло и в физике элементарных частиц. К моменту, когда на страницы научных журналов хлынул поток сообщений об открытии адронных резонансов, у теоретиков были подготовлены неплохие спасательные средства с красивым названием Высшие Симметрии. Оказалось, что огромная таблица сильновзаимодействующих частиц-адронов выстроена как бы не из отдельных «кирпичиков», а из целых «крупноблочных конструкций». Иными словами, адроны можно разделять на группы частиц с близкими свойствами, и таким образом наводить среди них весьма четкий порядок.

Что же такое симметрия и о каких свойствах частиц идет речь?

Симметрия буквально означает соизмеримость. Это понятие играет важную роль в физике, как, впрочем, и во многих других областях научной и практической деятельности. Например, архитектор стремится, как правило, создавать симметричные здания со строгим равенством всех деталей относительно центра фасада — справа и слева должно располагаться одинаковое количество колонн, ступеней, окон, дверей…

Такое полностью симметричное здание обладает одним интересным свойством. Предположим, перед вами лежат два его фотоизображения, причем одно из них получено при непосредственном фотографировании изображения этого же здания в обыкновенном зеркале. Нетрудно догадаться, что при тщательном изготовлении обоих снимков никто не сумеет определить, где же изображено само здание, а где его зеркальный двойник. Мы сталкиваемся здесь с важным свойством симметричного объекта — его вид сохраняется при зеркальном отражении.

На самом деле любые формы симметрии тел или процессов связаны со свойством сохранения какой-либо величины. Верно и обратное утверждение: если есть закон сохранения, то за ним непременно скрывается определенная симметрия. Именно исследование законов сохранения и привело физиков к идеям группировки элементарных частиц.

Прежде всего остановимся на двух так называемых абсолютных законах сохранения: электрического и барионного зарядов (или квантовых чисел). К тому, что электрический заряд в некотором замкнутом объеме не исчезает бесследно и не появляется из ничего, мы привыкли с довольно давних времен. Когда речь идет об элементарных частицах, то закон сохранения электрического заряда означает, что алгебраическая сумма числа положительных и отрицательных зарядов до начала реакции и после нее не изменяется. Этот закон проверен в таком количестве опытов и со столь высокой степенью точности, что его относят к числу абсолютных законов сохранения. Важно то, что он выполняется в любых реакциях и ни одно из известных взаимодействий не способно его нарушить.

Одно из важнейших проявлений этого закона состоит в том, что электрон — легчайшая из электрически заряженных элементарных частиц — абсолютно стабилен, то есть не способен к самопроизвольному распаду на какие-нибудь более легкие незаряженные частицы, например, на нейтрино.

Другой абсолютный закон сохранения связан со своеобразной закономерностью в поведении барионов, к которым, как вы помните, относятся протон, нейтрон, гипероны и значительная часть известных адронных резонансов. Барионы не могут бесследно исчезнуть или появиться из ничего. Иными словами, сумма числа барионов и антибарионов до какой-либо реакции и после нее остается постоянной. Формально этот закон можно представлять себе так, что как бы каждому бариону приписывается барионный заряд плюс единица, а каждому антибариону — минус единица, и в любой реакции алгебраическая сумма зарядов будет сохраняться.

Закон сохранения барионного заряда также проверен в огромном количестве опытов и в некотором смысле даже с большей точностью, чем в случае сохранения электрического заряда. Дело в том, что легчайший из барионов — протон — не должен распадаться на какие-то более легкие частицы, например, на мезоны или лептоны, не несущие барионного заряда. Поэтому о протоне говорят: он абсолютно стабилен.

Но, используя определения типа «абсолютно», физики имеют в виду лишь то, что точность, с которой проводятся опыты на сегодняшний день, не позволяет уловить акты распада того же протона. Эта точность имеет вполне конкретную оценку, на основе которой обычно и делается вывод, что протон имеет время жизни больше, чем 2 ∙ 10³⁰ лет. Аналогичная оценка существует и для электрона — его время жизни должно превышать 3 ∙ 10²¹ лет.

Теперь нам ясно, в каком смысле закон сохранения барионного заряда «сильней» закона сохранения электрического заряда. Практически же можно говорить и об абсолютно точном сохранении зарядов, ведь среднее время жизни и протона и электрона превышает время жизни наблюдаемого участка вселенной (порядка 2 ∙ 10¹⁰ лет)!

Однако приведенное уточнение важно для понимания точки зрения физиков на законы сохранения вообще, идет ли речь о зарядах, импульсе, энергии или других важнейших характеристиках частиц. Всякий закон сохранения не есть какая-то абсолютно непреложная истина, а результат осмысления большого количества экспериментальных данных. Если появляются данные, которые никак нельзя согласовать с тем или иным законом, то его приходится считать приближенным. Тем не менее борьба за каждый закон сохранения идет до самого конца, и тщательно рассматриваются любые идеи, способные его спасти. Вспомним хотя бы историю гипотезы о существовании нейтрино, которая была выдвинута во имя спасения закона сохранения энергии.

Наряду с абсолютными законами сохранения электронного и барионного зарядов, которые играют очень важную и общую роль в наших представлениях о микромире, существуют другие приближенные законы сохранения, на долю которых и выпала главная тяжесть по наведению порядка в чрезмерно разросшейся таблице элементарных частиц.

Еще в 1932 году В. Гейзенберг обратил внимание на поразительную схожесть двух фундаментальных составляющих ядерной структуры — протона и нейтрона. Их массы отличались всего на десятую долю процента. И у него возникало, естественно, подозрение: если протон был бы вообще лишен электрического заряда, то не превратился ли бы он в самый настоящий нейтрон?

И тогда В. Гейзенберг выдвинул интересную идею: протон и нейтрон представляют собой просто различные состояния одной частицы — нуклона. Если вообразить мир, в котором «по мановению волшебной палочки» выключились бы электромагнитные взаимодействия, например, все фотоны объявили бы забастовку и не захотели бы вступать в контакт с электрическими зарядами, то у физиков не нашлось бы никакого способа узнать, «кто есть кто», — все частицы в ядре выглядели бы на одно лицо. И двуликую природу нуклонов можно установить после этого единственным путем — снова запустить в этот воображаемый мир фотоны и заставить их нести свои важные обязанности по розыску электрических зарядов.

Таким образом, нуклон совмещает в себе представление о двух частицах и как бы расщепляется на протон и нейтрон под действием электромагнитного поля. Аналогичная ситуация имеет место и в случае пи-мезонов. В теории можно рассматривать один пи-мезон, который расщепляется на три наблюдаемых — пи-плюс-, пи-ноль- и пи-минус-мезоны — только при включении электромагнитных взаимодействий. Такое же «сокращение» можно провести и для известных ка-мезонов, гиперонов и резонансов.

Благодаря этому адроны с близкими значениями масс, но различными электрическими зарядами удобно группируются и предстают перед нами в более «крупноблочной» классификации: нуклон, пи-мизон, ка-мезон, три типа гиперонов (лямбда, сигма, кси) и так далее. То, что на самом деле каждый из них виден в нескольких состояниях, скажем, сигма-гиперон — в трех, является лишь сравнительно малым эффектом. Действительно, разности масс между различными состояниями частиц по сравнению с величинами самих масс этих частиц-адронов ничтожно малы. Можно считать, что разности масс между нейтральными и заряженными адронами, составляющие не более нескольких процентов от этих масс, как раз и обусловлены электромагнитными взаимодействиями.

Такой взгляд на классификацию частиц не покажется столь уж удивительным, если вспомнить, что аналогичным приемом мы часто пользуемся в повседневной жизни. Нам часто приходится иметь дело с объектами, у которых, как говорится, общее преобладает над различиями. Скажем, два жилых дома, построенных по типовому проекту, могут отличаться окраской панелей и отделкой подъездов, наконец, в одном из них может размещаться магазин, а в другом — нет. Эти отличия очень полезны для ориентации, хотя мы прекрасно понимаем, что перед нами дома-близнецы. И особенно просто почувствовать всю второстепенность указанных отличий, оказавшись вблизи домов-близнецов в незнакомом районе и в позднее время, когда мелкие детали как бы растворяются в темноте…

Электромагнитные взаимодействия, нарушающие полную эквивалентность адронов с близкими значениями массы, но различными зарядами, играют в определенном смысле тоже второстепенную роль.

Анализируя близость свойств протона и нейтрона, В. Гейзенберг высказал идею, что эти частицы должны участвовать в сильных взаимодействиях совершенно симметричным образом, как бы забывая о том, что у одной из них есть электрический заряд, а у другой нет. Впоследствии эта идея была распространена и на все другие адроны и получила название изотопической симметрии. Строгой изотопической симметрии соответствует сохранение особой величины, квантового числа, называемого изотопическим спином.

Но, как мы уже успели убедиться, электромагнитные взаимодействия разрушают эквивалентность в поведении заряженных и нейтральных адронов. Поэтому говорят о нарушении изотопической симметрии в реальном мире и, соответственно, считают, что изотопической спин является лишь приближенно сохраняющимся квантовым числом.

Может возникнуть естественный вопрос: зачем же обсуждать какую-то симметрию законов природы, если она выполняется только в воображаемом мире, а в реальности хоть и сравнительно слабо, но заведомо нарушается?

Этот интересный вопрос затрагивает на самом деле очень глубокие проблемы познания, и он, бесспорно, важен для понимания логики развития физики элементарных частиц, да и любой другой науки.

Физики всегда конструируют воображаемые миры, чтобы глубже постичь закономерности мира реального. Реальность слишком сложна для того, чтобы ее можно было сразу же осознать во всем многообразии. Ученые вынуждены действовать постепенно, шаг за шагом приближаясь к пониманию определенных явлений.

Верно, что в природе нет реального нуклона — это лишь образ, замещающий две частицы (протон и нейтрон), известные нам из эксперимента.

Но ведь в природе нет, скажем, и настоящей окружности в том смысле, как ее понимают геометры. Просто, окружность — это очень полезный и бесконечно привычный образ, с помощью которого мы можем часто с весьма хорошим приближением описывать свойства реальных тел, всегда имеющих хотя бы слабые отклонения от идеальной формы.

В природе нет и «абсолютно твердых тел», которые мы обсуждали в связи со старой моделью электрона-шарика. Однако это весьма полезный образ в механике, который позволяет изучать многие движения с хорошей точностью.

Но вообще-то «вносить в природу» те или иные приближенные образы из конкретных наук надо с осторожностью. Весь многотысячелетний опыт познания говорит о том, что любой самый красивый и, казалось бы, общий научный образ рано или поздно сменяется другим, более красивым и более общим. В свое время активное противодействие представлениям квантовой механики было во многом обязано тому, что в сознании ряда людей, в том числе и физиков, прочно «склеились» образы классической механики и реальный мир. И им трудно было убедить себя в том, что, допустим, траектория электрона вовсе не необходимая принадлежность реального мира, а полезное приближенное средство для описания движения макроскопических тел.

Все это очень важно иметь в виду, обсуждая дальнейшее развитие принципов классификации в микромире.

Изотопическая симметрия заметно упорядочила наши представления, сгруппировав адроны с очень близкими значениями масс. Но, как вы помните, существовали еще и явления, связанные с рождением необычных, странных частиц в строго определенных комбинациях, скажем, попарно. Например, лямбда-гиперон мог родиться только в паре с положительно заряженным или нейтральным ка-мезоном или, наконец, вместе со своим антиподом — анти-лямбда-гипероном. Такие же закономерности прослеживались и в рождении других гиперонов и ка-мезонов. Когда же наступала пора этим частицам распадаться, такой закономерности уже не наблюдалось — любая из них распадалась на обычные адроны, как бы забывая о правилах своего рождения.

Физики отметили интересное обстоятельство — рождение странных адронов идет со значительно большей интенсивностью, чем их распад. Прямые оценки показали, что в первом случае имеет место сильное взаимодействие, а во втором — слабое. Отсюда был сделан важный вывод: странные адроны несут какой-то своеобразный заряд (квантовое число), который сохраняется в сильных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых. Это квантовое число и было названо «странностью». Нуклону и пи-мезону можно было сопоставить нулевую странность — у них не было таких особенностей в поведении, как у странных частиц.

Лямбда- и сигма-гиперонам, независимо от знака электрического заряда, была сопоставлена «странность» минус единица, а кси-гиперону — минус два. Положительно заряженный ка-плюс-мезон и нейтральный ка-ноль-мезон должны были нести «странность» плюс единица, а их античастицы (ка-минус- и анти-ка-ноль) — противоположную. Такая расстановка нового квантового числа полностью объясняла все экспериментально изученные процессы рождения «странных» частиц.

Когда классификация адронов по «странности» была завершена, перед физиками возникла заманчивая аналогия. Раз протон и нейтрон приближенно оказались разными зарядовыми состояниями одной частицы — нуклона, то не являются ли нуклон и гипероны, в свою очередь, различными по «странности» состояниями одной и той же частицы? Не происходит ли то же самое и с пи- и ка-мезонами?

Для того чтобы поверить в такую возможность, нужно было, конечно, немалое воображение. Ведь симметрия, которая в данном случае могла появиться, была бы нарушена гораздо сильней, чем изотопическая. Это видно хотя бы из того, что разность масс «странных» и «нестранных» адронов не столь уж мала по сравнению с самими величинами масс. Относительная разность может достигать здесь десятков процентов! Теперь уже нарушение новой симметрии нельзя приписать электромагнитным взаимодействиям, а необходимо вводить два типа сильного взаимодействия: предельно сильное и умеренно сильное.

В воображаемом мире, где существует только предельно сильное взаимодействие, все восемь стабильных барионов выглядят как один. Если включить умеренно сильное взаимодействие, то произойдет расщепление на «нестранные» нуклоны и «странные» гипероны — мы как бы увидим 4 типа частиц. И наконец, если включить электромагнитное взаимодействие, то произойдет более полное расщепление, и перед нами предстанут все восемь барионов с различными значениями электрического заряда и «странности».

Нечто подобное произойдет и с восемью стабильными мезонами (тремя пи-, четырьмя ка- и эта-мезонами): в мире предельно сильного взаимодействия они будут на одно лицо, будто это одна частица. По мере включения умеренно сильных и электромагнитных взаимодействий единый мезон будет все сильней расщепляться, пока не появятся все 8 реальных частиц.

Именно с такой идеей группировки адронов и выступили в 1961 году М. Гелл-Манн и Ю. Нееман. Предельно сильные взаимодействия предположили они, должны обладать особой унитарной симметрией, так чтобы восемь легчайших барионов и восемь легчайших мезонов участвовали в этих взаимодействиях совершенно симметрично независимо от электрических зарядов и «странности».

В новой системе классификации все наблюдаемые адроны относились к определенному набору, который может включать одну, восемь или десять частиц. Все адроны, в том числе и резонансы, действительно были приписаны к одному из таких наборов. Это привело, конечно, к очень экономичному представлению таблицы элементарных частиц — гораздо более «крупноблочному», чем в случае использования только изотопической симметрии.

Рассматривая каждый набор в воображаемом мире, где учтены только предельно сильные взаимодействия, как единую частицу, можно было затем включить умеренно сильные взаимодействия и оценить возникающее за счет него расщепление масс. Таким способом и были получены соотношения между массами для различных состояний каждого набора. В тех случаях, когда все частицы данного набора были известны, эта операция приводила к удивительно хорошему согласию теории и эксперимента.

Расчет соотношений между массами адронов внутри каждого набора и привел к важному открытию, которое стало основным свидетельством в пользу схемы Гелл-Манна — Неемана.

Дело в том, что, пытаясь укомплектовать набор из 10 барионов, физики столкнулись с небольшой трудностью. Среди известных адронов довольно быстро обнаружились девять хороших кандидатов в эту «десятку». Эти кандидаты представляли собой короткоживущие барионные резонансы: 4 частицы дельта-1232 (это различные зарядовые состояния резонанса, открытого Э. Ферми), 3 сигма-1385 и 2 кси-1530. А вот десятого — «замыкающего» — подыскать не удалось. Его масса была вычислена на бумаге и должна была составлять примерно 1670 МэВ. Были заранее известны и многие другие свойства, например, его «странность» должна была быть равна минус три и электрический заряд — минус единице. Но среди известных адронов такая частица не значилась. И только в самом начале 1964 года из Брукхэвенской национальной лаборатории было получено необходимое известие: на одной из 50 тысяч фотографий зарегистрирован каскад из целых семи частиц, связанный с распадом нового гиперона с массой около 1670 МэВ! Новая частица была названа омега-минус-гипероном.

Открытие омега-минус-гиперона укрепило веру в унитарную классификацию, и в настоящее время она считается общепринятой. Это, конечно, не означает, что физикам стало все ясно в адронном мире. Остаются и возможности обобщения, и непонятные проблемы.

Дело в том, что с математической точки зрения и изотопическая симметрия В. Гейзенберга, и унитарная симметрия, предложенная М. Гелл-Манном и Ю. Нееманом, являются различными формами унитарных симметрий общего типа. Вторая оказывается просто симметрией более высокого типа, чем первая; именно поэтому она и позволяет объединять частицы в более крупные наборы, «блоки», и часто называется Высшей Симметрией.

А не могут ли проявиться еще более высокие унитарные симметрии адронов? Такую возможность никак нельзя исключить. Ведь схема Гелл-Манна — Неемана основана на сохранении только двух квантовых чисел — электрического заряда и «странности».

В 1964 году американские теоретики Дж. Бьеркен и С. Глешоу ввели в рассмотрение новый точный или приближенный закон сохранения, соответствующий особому квантовому числу — «очарованности». Такая возможность открывала путь к более высокой симметрии сильных взаимодействий и позволяла преодолеть некоторые проблемы предшествующих моделей.

Едва ли не главная из этих проблем состояла в том, что схема классификации Гелл-Манна — Неемана допускала существование удивительных наборов из 3 частиц. Просто не обращать внимания на эти наборы было нельзя, так как они играли фундаментальную роль для указанной схемы. Но частицы в этих наборах должны были иметь столь необычные свойства — в частности, дробные электрические и барионные заряды, — что включить их в рассмотрение было не так уж просто. Итак, либо новый закон сохранения, либо совершенно необычные частицы…

Впрочем, проблема этих удивительных частиц оказалась глубже, чем можно представить себе, рассуждая о том или ином варианте унитарной классификации.

Высшие симметрии микромира часто сравнивают с красивым замком. Действительно, группировка огромного количества адронов по определенным свойствам напоминает своеобразную архитектурную работу — все элементы выстраиваются в какую-то четкую взаимосвязанную конструкцию, которая воспринимается гораздо легче, чем отдельные разбросанные элементы. Такое упорядочивание, по сути дела, означало создание спасительного ковчега, позволившего пережить трудные времена резонансного потопа, но его вполне разумно сравнивать и с возведением замка.

Но тут-то в ответ на необычайную щедрость природы, которая ввела в микромир свыше 200 адронов, физики решили проявить предельную экономичность, граничащую со скупостью. Этот шаг, к обсуждению которого мы сейчас переходим, привел к тому, что в замке высших симметрий замаячили настоящие призраки…

Нашествие призраков

Как и герои древних преданий, призраки микромира имели реальных предков и довольно любопытную родословную. История появления этих призраков как раз и связана с удивительным сочетанием щедрости природы и скупости физиков.

Скупость эта проявилась довольно рано — еще тогда, когда адронный мир, казалось бы, строился всего из двух типов частиц — нуклонов и пи-мезонов. О ка-мезонах и гиперонах существовали лишь предварительные данные, а до резонансного потопа было совсем далеко. Но даже два типа адронов показались физикам излишней роскошью для таблицы элементарных частиц. Летом 1949 года Э. Ферми и его девятнадцатилетний аспирант Ч. Янг написали статью, которая прямо так и называлась: «Являются ли мезоны элементарными частицами?»

Авторы начали с естественного предположения о том, что в природе существуют антинуклоны (кстати, антипротон и антинейтрон будут открыты только через несколько лет после появления их статьи). Далее они высказали гипотезу, что пи-мезон представляет собой просто связанное состояние нуклона и антинуклона, а не особую элементарную частицу, как это думал X. Юкава, и попытались оценить основные свойства этого составного ядерного кванта. Правила составления наблюдаемых пи-мезонов можно проследить, пользуясь простой зарядовой арифметикой: положительно заряженный пи-мезон должен состоять из протона и антинейтрона, отрицательно заряженный — из нейтрона и антипротона, и нейтральный пи-мезон — из смеси пар протон — антипротон и нейтрон — антинейтрон. Во всех случаях у мезонов оказываются правильные значения электрических зарядов, а их барионные заряды равны нулю.

Модель Ферми — Янга была интересна, но в некоторых отношениях непоследовательна. Трудно было, например, объяснить природу сил, склеивающих тяжелые частицы — нуклон и антинуклон — в сравнительно легкую — пи-мезон. Поэтому многие физики сначала отнеслись к этой модели без особого энтузиазма. Однако заложенные в ней идеи — прежде всего стремление обходиться предельно малым числом действительно элементарных частиц — были исключительно полезны, и через несколько лет эти идеи стали интенсивно развиваться.

После того как «странные» частицы — ка-мезоны и гипероны — окончательно утвердились в качестве особого класса адронов, стало ясно, что одним нуклоном при построении составной модели частиц не обойтись. Ведь нуклон представлял собой образ двух барионов, не имеющих «странности» (протона и нейтрона), а из них никак нельзя было построить, скажем, «странный» ка-мезон. Поэтому физикам пришлось привлекать третью фундаментальную частицу — один из «странных» мезонов или гиперонов. Именно по этому пути и пошли создатели первых универсальных моделей составных адронов советский теоретик академик М. Марков и японский ученый С. Саката.

Несколько более наглядная модель С. Сакаты представляет собой прямое развитие идей Э. Ферми и Ч. Янга. В качестве трех фундаментальных частиц он выбрал протон, нейтрон и лямбда-гиперон и показал, что из них можно в принципе выстроить все остальные частицы адронного семейства. Пи-мезоны строились в этой схеме по тем же правилам, что и в модели Ферми — Янга, а для «странных» мезонов и гиперонов использовались чуть более сложные правила той же зарядовой арифметики (с учетом «странности»). Например, ка-мезон с отрицательным электрическим зарядом и «странностью» минус единица можно построить из лямбда-гиперона (электрический заряд — ноль, «странность» — минус единица) и антипротона (электрический заряд — минус единица, «странность» — ноль), а отрицательно заряженный кси-минус-гиперон со «странностью», равной минус два, — из двух лямбда-гиперонов и одного антипротона.

Подобно тому, как протон и нейтрон представляли собой различные состояния нуклона, 3 частицы: протон, нейтрон и лямбда-гиперон — должны были представлять 3 различных состояния некоторой фундаментальной частицы — сакатона. В воображаемом мире, где действует только предельно сильное взаимодействие, существовал бы единственный вид фундаментальных адронов — сакатоны. При включении умеренно сильных взаимодействий наблюдалось бы уже два типа частиц — нуклон и лямбда-гиперон, то есть тот же сакатон, как бы расщепленный на два наблюдаемых состояния. И наконец, при включении электромагнитных взаимодействий, когда в микромир допускались фотоны, способные реагировать на электрические заряды, нуклон, в свою очередь, расщеплялся, и появлялись все 3 известных легчайших бариона — протон, нейтрон и лямбда-гиперон.

Гипотеза о фундаментальной роли сакатона оказалась весьма привлекательной и чуть ли не десять лет владела умами исследователей микромира. Еще бы! Ведь, имея перед собой таблицу элементарных частиц, можно было буквально за несколько минут убедиться, что все адроны соответствуют той или иной комбинации из 3 легчайших барионов.

Следовательно, таблица истинно элементарных частиц становилась значительно короче: наряду с фотоном и лептонами она должна была включать только три адрона — протон, нейтрон и лямбда-гиперон, да и те оказывались на самом деле лишь тремя возможными состояниями одного адрона — сакатона…

Остальные адроны являлись составными частицами — вроде атомных ядер.

Но, конечно, физическое понимание такой составной модели не может быть ограничено формальным подбором правильных зарядовых комбинаций. Несмотря на многие интересные попытки улучшения, модель фундаментального сакатона так и не справилась с теми трудностями, которые она, можно сказать, унаследовала от своей предшественницы — модели Ферми — Янга.

Во-первых, аналогия между составными адронами и атомными ядрами не столь уж проста. Как вы помните, протоны и нейтроны, будучи связаны в атомное ядро, теряют на эту связь лишь малую долю своей массы — менее одного процента. Совсем другая ситуация наблюдается в том случае, когда мы пытаемся описать, скажем, пи-ноль-мезон как связанное состояние протона и антипротона. Ведь величина энергии связи протона с антипротоном в 13 раз превышает массу наблюдаемого связанного состояния: пи-ноль-мезона! Напрашивается вывод, что, во-первых, внутренняя структура составных адронов должна иметь какие-то качественные отличия от тех структур, которые известны нам из физики атомов и атомных ядер.

Во-вторых, по-прежнему нуждалась в объяснении природа сил, склеивающих сакатоны в составные мезоны и барионы.

В-третьих, было неясно, чем же качественно выделены именно протон, нейтрон и лямбда-гиперон среди всех других барионов и мезонов. Почему и в каком смысле именно они должны быть более элементарными, чем другие адроны? Ведь массы протона, нейтрона и лямбда-гиперона очень близки по величине к массам сигма- и кси-гиперонов. Тем более что, как вы помните, при создании унитарной классификации все эти нуклоны и гипероны очень естественно вписались в одну из «восьмерок», то есть должны были представлять собой просто 8 различных состояний какой-то одной частицы.

И вообще, согласно схеме унитарной классификации ни один из наблюдаемых мезонов или барионов ничем особым не выделен, ни один из них не может претендовать на роль более элементарной частицы, чем остальные адроны.

Вот именно это последнее обстоятельство и оказалось непреодолимой трудностью для модели фундаментального сакатона.

Сакатон вынужден был уйти из мира реальных частиц и поселиться в красивом замке унитарной симметрии на правах призрака, изменив имя и даже некоторые свойства.

В 1964 году М. Гелл-Манн и молодой теоретик из ЦЕРНа Дж. Цвейг обратили внимание на то, что существует отличная возможность описать все наблюдаемые адроны как определенные составные конструкции из некоторых новых частиц, которые тоже укладываются в схему унитарной классификации, но обладают весьма оригинальными свойствами, резко выделяющими их среди собратьев по микромиру. Речь шла как раз о тех объектах, которые должны были входить в унитарные наборы из трех частиц.

С легкой руки М. Гелл-Манна новые гипотетические частицы стали называться кварками. Необычное слово вызвало, конечно, удивление, но прижилось в физике чрезвычайно быстро. М. Гелл-Манн отыскал его в фантастическом романе «Поминки по Финнегану» — последнем произведении крупнейшего ирландского писателя Дж. Джойса. В этом романе некий таинственный голос вещает о «трех кварках», что звучит в контексте непонятно, но угрожающе. С другой стороны, в немецком языке слово «кварк» имеет совершенно безобидный смысл — «творог». Вот и пойми, что предрекается: то ли злые духи, то ли вкусные творожники…

Мне кажется, что кварк завоевал симпатии физиков по довольно простой причине, благодаря явному созвучию с привычным словом квант — чувствуется, что кварк должен быть осколком чего-то, и не просто частью, а чем-то с трудом отщепленным, скорее всего остроугольным…

Кварк вошел в физику полноправным наследником сакатона. В отличие от последнего он не должен был соответствовать каким-либо уже известным адронам. Однако подобно тому, как сакатон был единым представлением трех частиц — протона, нейтрона и лямбда-гиперона, кварк по праву наследования стал представлять три частицы, которые так и были названы по аналогии — пэ-кварк (p), эн-кварк, (n) и лямбда-кварк (λ).

Необычные свойства кварков выражались прежде всего в том, что их барионные и электрические заряды имели дробные значения в единицах зарядов протона или любой другой известной элементарной частицы. В частности, все барионные заряды кварков должны были составлять ¹/₃ заряда известных барионов. Пэ-кварк должен был, кроме того, иметь положительный электрический заряд, равный ²/₃ заряда протона, а остальные два — эн- и лямбда-кварки — должны были иметь отрицательные заряды по (¹/₃). И наконец, лямбда-кварк еще обладал «странностью», равной минус единице (–1). При внимательном взгляде на кварки нетрудно заметить, что они действительно напоминают компоненты сакатона — протон, нейтрон и лямбда-гиперон — с той разницей, что барионные заряды кварков меньше на ²/₃, а электрические на ¹/₃, чем у этих барионов.

Предсказание дробных зарядов у кварков показалось физикам весьма необычным, но оно, в сущности, не нарушало никаких фундаментальных законов природы. То, что, например, электрические заряды всех наблюдаемых частиц либо равны по абсолютной величине заряду электрона, либо больше его в целое число раз, — просто экспериментальный факт, смысл которого пока непонятен. И если обнаружились бы более мелкие порции электричества, то это стало бы просто нарушением традиции, а не каких-то определенных законов.

Гораздо более удивительным оказалось другое обстоятельство. Кварковая модель стала превосходным средством для наведения порядка в микромире и испытала большой успех в самых различных приложениях, но вот сами кварки, несмотря на чрезвычайно активные поиски, так и не удалось обнаружить.

Посудите сами. Любой известный барион без труда строится в виде комбинации из трех кварков. Скажем, протон должен состоять из двух пэ-кварков и одного эн-кварка, а отрицательно заряженный кси-минус-гиперон из эн-кварка и двух лямбда-кварков. Пользуясь все той же простой зарядовой арифметикой, можно составить и любой мезон — он непременно должен содержать какой-либо кварк и антикварк, чтобы суммарный барионный заряд этой комбинации был равен нулю. Например, положительно заряженный пи-мезон состоит из пэ-кварка и эн-антикварка, а отрицательно заряженный ка-мезон — из лямбда-кварка и пэ-антикварка. В общем, положив перед собой таблицу известных адронов и вспомнив заряды различных кварков, вы могли бы очень быстро установить кварковый состав всех частиц и античастиц.

Но успехи кварковой модели не ограничивались такой удачной классификацией адронов. Модель давала и вполне определенные предсказания о закономерностях, которые должны наблюдаться в процессах сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий при рассеянии и распадах адронов. Большинство таких предсказаний удивительно хорошо подтверждается экспериментальными данными.

Не менее важно и другое — именно кварки позволяли верить в глубокий смысл обнаруженных законов симметрии микромира. Можно сказать, что гипотетические частицы наполнили жизнью красивый замок унитарных симметрий; без кварков он казался бы пустынной, наскоро сколоченной времянкой. Но кварки до сих пор так и остались призраками! Они приносят большую пользу, о них много сказано и написано, наконец, большинство физиков верят в их существование. Но их никто и никогда так и не наблюдал. Между тем история ловли кварков ничуть не уступает, даже, пожалуй, превосходит по драматизму охоту за космическими лучами.

Кварки искали не только на земле, под землей или под водой. Чтобы обнаружить какой-нибудь «зазевавшийся» призрак, перетирались в порошок целые метеориты. Их пытались зарегистрировать в самых первых образцах лунного грунта, с великими трудами и затратами доставленных на нашу планету.

Дело в том, что по крайней мере один из кварков должен был оказаться стабильным, и в силу закона сохранения электрического заряда его дробный заряд можно было бы обнаружить даже после всевозможных взаимодействий этого кварка с обычными частицами вещества. Именно поэтому физики уделяли большое внимание поиску кварков с дробными зарядами и в макроскопических кусках вещества.

Более того, физики обратились к анализу истории наблюдаемой вселенной и к исследованию строения звезд. Уже в 1965 году — всего через год после появления гипотезы кварков — советские теоретики Я. Зельдович, Л. Окунь и С. Пикельнер опубликовали большую статью под названием «Кварки: астрофизический и физико-химический аспекты». В этой работе были даны оценки допустимой плотности реальных кварков в связи с самыми различными возможностями их существования. Вывод был не слишком утешителен; кварков должно быть в 10⁹–10¹⁸ раз меньше, чем нуклонов. Последующие теоретические и экспериментальные работы в основном подтвердили это заключение. Кварки, даже если они и существуют в виде отдельных частиц, — редчайшие «звери». Число нуклонов должно, по крайней мере, в тысячи миллиардов раз превышать число кварков…

И уж конечно, трудно перечислить все эксперименты по поиску кварков в потоках космических лучей и среди миллионов событий, полученных на крупнейших ускорителях мира. В программах «Серпухова» и «Батавии» кварковый эксперимент стоял на первом месте — еще только «прогревая» синхротроны для долгосрочной работы, физики пытались отыскать в регистрирующих устройствах следы дробно-заряженных частиц. Упорное нежелание кварков предстать пред нетерпеливыми взорами экспериментаторов стало вызывать тревожные размышления.

Как бы то ни было, а гипотетические частицы оказались предельно экономичным средством для «сборки» любого известного адрона. Поэтому сначала даже некоторые существенные неясности в отношении природы сил, связывающих кварки, не могли поколебать безграничной веры большинства физиков в их реальность. В пользу сторонников реальных кварков свидетельствовали и известные вам исторические аналогии.

Вспомните, заявляли они, сколько добрых дел успел совершить протон задолго до своего настоящего открытия. А за 15 лет до экспериментальной регистрации пи-мезона была правильно описана структура атомных ядер, причем ядерный квант до сих пор не раскрывает многих своих тайн. А сколько лет отделяет тюбингенское послание В. Паули от занесения в таблицу элементарных частиц «короля конспирации» нейтрино? А разве не пытались некоторые физики всего за три-четыре года до открытия антипротона придумать уродливую антивселенную с одними позитронами? Да что уж там маленькие сроки, каких-то 15–20 лет, продолжали они, атомистическая гипотеза дожидалась доказательств два с половиной тысячелетия! А ведь все успехи молекулярно-кинетической теории теплоты в прошлом веке связаны именно с атомистическими представлениями. Теперь же, изучив атомно-молекулярный, ядерный и «элементарно-частичный» уровни строения вещества, мы стоим на пороге нового, еще более глубокого уровня, и стоит ли предаваться сомнениям относительно реальности кварков, которые вот-вот окажутся превосходным примером предоткрытия?

Но тут-то и стали выясняться любопытные обстоятельства, показавшие, что простые исторические параллели проводить пока еще рано.

Во-первых, оказалось, что кварковую модель можно, а в некоторых случаях и необходимо, расширять и дополнять.

Как вы помните, в процессе развития теории симметрий физики столкнулись с возможностью введения нового, почти сохраняющегося квантового числа — «очарования». С точки зрения кварковой модели это связано с существованием четвертого «очарованного» кварка (или цэ-кварка (с), как его часто называют). Цэ-кварк может иметь тот же электрический заряд, что и пэ-кварк, но, кроме того, ему приписывается значение «очарованности», равное единице. Интересно, что в модели с четырьмя кварками можно вообще избежать введения дробных зарядов — все кварки смогут соблюсти традицию микромира.

Реальные «очарованные» частицы — так называемые дэ-мезоны — были обнаружены совсем недавно, в мае 1976 года, группой Дж. Гольдхабера. Эти новые мезоны должны содержать наряду с обычным кварком и «очарованный» цэ-кварк. Интересно, что четвертый кварк еще до открытия дэ-мезонов выполнял в теории важные обязанности. Дело в том, что в теории слабых взаимодействий адронов, ограниченной представлением о трех фундаментальных кварках, предсказывалась сравнительно большая вероятность распада нейтрального ка-мезона на положительный и отрицательный мюоны. Между тем этот распад вообще не был обнаружен экспериментально. Это оказалось очень неприятным сюрпризом для современной теории, и длительное время было неясно, откуда возникает запрет на такой распад. Высказывались даже гипотезы о нарушении тех или иных фундаментальных принципов физики. Однако выход нашелся на довольно простом пути — как раз учет четвертого «очарованного» кварка в структуре адронов позволит теоретикам объяснить отсутствие ненаблюдавшегося распада.

В этом плане физики часто говорят, что четвертый кварк проник в число фундаментальных составляющих адрона «по запросу» теории слабых взаимодействий. Зато другое, более крупное расширение таблицы кварков произошло из-за одной неприятной особенности в объяснении структуры адронов, которая возникла буквально вместе с трехкварковой моделью.

Некоторые адроны должны были составляться из набора одинаковых кварков, и хотя бы два из них вынуждены были находиться вдвоем или втроем в одинаковом состоянии.

Попытки найти выход из столь трудного положения начались сразу же после появления гипотезы кварков и привели к модели с утроенным кварковым миром, сформулированной в 1965 году академиком Н. Боголюбовым и его учениками и независимо от них американскими теоретиками М. Ханом и И. Намбу. Предполагалось, что существует три типа кварков, различающихся по какому-то признаку. Впоследствии этот признак назвали «цветом» и условились «раскрашивать» кварки одной из трех красок — желтой, синей или красной. Обычные адроны считались «белыми» частицами, что, естественно, имеет место при равномерном смешении трех указанных цветов (проверьте сами, если увлекаетесь рисованием). Теперь, например, тот же омега-гиперон включает уже три разноцветных лямбда-кварка, и никаких неприятностей с применением принципа Паули не возникает — ведь речь идет о трех различных частицах. В общем, как вы видите, кварковая модель находится в процессе развития и существуют различные интересные варианты оригинальной реализации призраков в будущих экспериментах.

Но еще любопытней оказалась другая точка зрения. Многие физики, подавленные неудачами в поиске кварков с дробными или целыми зарядами, стали утверждать, что призраки никогда и не объявятся. Во всяком случае, их нельзя будет зарегистрировать как обычные частицы по следам и даже косвенными методами, как в случае резонансов. Они могут существовать только внутри адрона, навеки запертые в своей темнице гигантскими силами, которые не убывают, а возрастают с увеличением расстояния. Так что никакими могучими воздействиями кварк из адрона добыть невозможно, и тогда уж действительно стоит говорить о «бедненьких привидениях».

Последующее развитие эксперимента и теории превратили эти первоначальные подозрения в весьма правдоподобную гипотезу. Судя по всему, следующий уровень строения вещества не желал повторять пройденное…

Итак, настал момент, когда необходимо подвести некоторые итоги. Мы с вами стали свидетелями различных периодов в развитии физики элементарных частиц. Казалось бы, не так уж далеки те времена, когда было открыто очень мало частиц, скажем, только три — электрон, фотон и протон, — и естественно, что современники рассматривали их как истинно элементарные «кирпичики мироздания». Когда количество известных частиц увеличилось едва ли не в 100 раз, физикам стало ясно, что «кирпичиков» слишком много, чтобы каждый из них мог претендовать на такую почетную роль. Прежде всего свое сложное устройство продемонстрировали адроны — именно они стали первыми кандидатами на роль составных «элементарных» частиц и, по сути дела, утратили право называться элементарными.

Кварковая модель подытожила в определенном смысле наши представления о возможной составной природе адронов. Их классификация выглядит на сегодняшний день столь убедительно, что большинство физиков уверены в правильности гипотезы о кварковом строении. Все сильней становится подозрение — скорее уже уверенность! — что кварки должны сыграть примерно такую же роль в понимании таблицы элементарных частиц, как атомы в понимании периодической системы элементов Д. Менделеева.

Потому многие физики склонны считать, что уже существует принципиальная схема для построения таблицы истинно элементарных частиц, где не найдется места ни для одного из экспериментально открытых на сегодняшний день адронов! Что же должно включаться в эту гипотетическую таблицу?

В ней по-прежнему будут обитать фотон и четыре типа лептонов. Впрочем, эксперимент указывает и на возможное образование нового типа лептонов — тяжелого эл-лептона, масса которого значительно больше массы мюона. К ним присоединятся своеобразные субадроны: 12 кварков, а для обеспечения связи между кварками могут вводиться особые частицы глюоны (от английского glue — клей).

Стоит еще раз напомнить, что кварки, о которых здесь сказано, являются лишь различными состояниями одной частицы, которые существуют в нашем реальном мире, где включены все типы взаимодействий. То же самое относится и к глюонам — на самом деле можно говорить об одном глюоне, имея в виду его расщепление на 8 различных состояний в нашем реальном мире.

К этим частицам впоследствии может присоединиться еще один гипотетический тип частиц — так называемые дубль-вэ-мезоны и зэт-ноль-мезоны — особая разновидность квантов, обеспечивающих слабые взаимодействия элементарных частиц подобно тому, как фотоны обеспечивают электромагнитные взаимодействия.

К обсуждению гипотетических переносчиков взаимодействия глюонов, дубль-вэ- и зэт-мезонов мы еще возвратимся в следующей главе. Здесь же для нас важно почувствовать общую современную тенденцию к сокращению числа истинно элементарных частиц.

В таком проекте адронам отводится роль сложных составных объектов, все свойства которых можно выводить из их кварковой структуры, подобно тому, как все свойства атомов можно вывести, зная законы их строения, из ядер и электронов. Казалось бы, все выглядит просто и пригоже — стоит только отыскать кварки и другие, пока гипотетические, частицы, и мы сможем получить экспериментально обоснованную новую картину микромира.

Но не будем забывать, что перед нами только проект, причем проект, основанный на довольно прямой аналогии с устройством уже известного атомного уровня строения вещества. А ведь история не очень любит «возвращаться на круги своя». Не все так уж просто с применением аналогий при движении в глубь вещества. Далеко не все так просто…

Нет, например, никакой уверенности, что мы действительно сумеем извлечь кварки из адронов в виде каких-то отдельно существующих частиц. Не исключено и такое на первый взгляд парадоксальное положение дел, что вопрос о кварках вне адронов вообще лишен смысла. Что же касается поведения кварков и их свойств, когда они находятся внутри адрона, то отнюдь не ясно, можно ли говорить вообще о движении каких-то объектов типа обычных элементарных частиц в столь плотном веществе. Ведь средняя плотность адрона примерно в 10¹⁴ раз превышает плотность обычной воды, и ни одно из известных науке веществ не обладает даже близкой плотностью…

Как должны вести себя силы, действующие между кварками? Пока на этот вопрос мы можем отвечать, пользуясь лишь косвенными данными, то есть непосредственно изучая только силы взаимодействия между адронами или между адронами и лептонами или адронами и фотоном. Если реальные кварки не будут обнаружены, то у нас так никогда и не появится иного способа исследования межкварковых сил.

Что же может получиться? Не сведется ли все к тому, что кварки так и нельзя будет отделить от наблюдаемых адронов и изучить независимым образом? Но в таком случае адроны должны будут по-прежнему фигурировать в таблице элементарных частиц…

Видимо, реальная ситуация в физике элементарных частиц несколько сложней, чем мы до сих пор ее себе представляли. И необходимо подробней разобраться в свойствах тех взаимодействий, которые обусловили наблюдаемое многообразие микромира…

Так может выглядеть в недалеком будущем таблица элементарных частиц

Итак, в любом случае — конечен заряд «голого» точечного электрона или бесконечен — мы приходим к неприемлемой картине.

Несмотря на довольно сложный характер теории, причина всех трудностей довольно проста и наглядна.

Обсудим следующий пример. Пусть в вещество, где существует равное количество положительных и отрицательных зарядов, вводится новый, скажем для определенности, отрицательный заряд. При этом равновесие между различными зарядами вещества, конечно, нарушится. Новый заряд начнет притягивать к себе заряды противоположного знака, то есть положительные. Постепенно вблизи него будут накапливаться положительные заряды, в конце концов он окажется как бы заэкранированным и его действие на остальные заряды вещества практически прекратится.

Нечто подобное происходит и с «голым» электроном. Веществом, которое его экранирует, являются как раз виртуальные частицы, которые неизбежно появляются при учете взаимодействия. Квантовая электродинамика позволяет оценить эффективность этой экранировки, и оказывается, что заряд экранируется бесконечно сильно! Поэтому неудивительно, что, приписав «голому» электрону конечный электрический заряд, мы приходим к выводу, что этот заряд полностью экранируется «шубой» реального электрона, который и должен наблюдаться на опыте. И получается неприятный результат — этот реальный электрон должен выглядеть как частица с нулевым электрическим зарядом!

Чтобы прорвать бесконечно сильную экранировку, разумеется, необходимо приписывать «голому» электрону бесконечно большой заряд, что, как мы уже видели, тоже неудовлетворительно.

Вот с такими трудностями пришлось столкнуться теоретикам при попытке проверить применимость квантовой электродинамики к описанию процессов в сколь угодно малых областях пространства. Эти трудности и заставили их искать новый подход к описанию взаимодействий на малых расстояниях.

Но, прежде чем было достигнуто такое понимание проблемы, теоретики успели проделать довольно большую работу по построению моделей слабых и сильных взаимодействий по образцу квантовой электродинамики.

Как вы помните, первой моделью слабых взаимодействий оказалась теория бета-распада, предложенная Э. Ферми. Согласно этой теории нейтрон трансформировался в протон, излучая пару: электрон и антинейтрино. Э. Ферми в значительной степени исходил из аналогии с квантовой электродинамикой, но в его теории место фотона как бы занимала пара, состоящая из лептона и антилептона. Впоследствии его идея была расширена и позволила описать все распады сравнительно долгоживущих частиц как проявление некоторого универсального слабого взаимодействия.

Характерной особенностью этой теории является следующее представление: четыре частицы — барионы или лептоны — непременно взаимодействуют в одной точке, то есть в непосредственном контакте друг с другом. С помощью такого представления можно описать и распады частиц, и их рассеяние. Скажем, отрицательно заряженный мюон способен распадаться на электрон и пару, состоящую из электронного антинейтрино и мюонного нейтрино. В данном случае взаимодействие выглядит как контакт четырех лептонов. Это же представление позволяет описать и другой процесс, например, столкновение мюона с электронным нейтрино. В результате этого столкновения должны образоваться электрон и мюонное нейтрино.

В случае бета-распада взаимодействие выглядит как контакт двух барионов и двух лептонов. И опять на основе этого же представления можно было описать другие типы процессов, например, рассеяние электронного нейтрино на нейтроне, в результате которого возникал протон и электрон.

Обратите внимание на то, что в обоих случаях описания рассеяния возникает четкая закономерность превращения заряженных частиц в незаряженные и наоборот. Заряженный мюон трансформируется в мюонное нейтрино, а электронное нейтрино — в электрон. Или: нейтрон трансформируется в протон, а электронное нейтрино — опять-таки в электрон.

Такая же закономерность наблюдается и во всех остальных известных процессах слабого взаимодействия. Отсюда и родилась интересная гипотеза: а не осуществляется ли слабое взаимодействие за счет обмена особым квантом, который как бы переносит заряд при взаимной трансформации заряженных и нейтральных частиц.

Гипотетическая частица, которую называют дубль-вэ-мезоном, или дубль-вэ-бозоном, должна быть очень тяжелой — в несколько раз тяжелее протона — и нести положительный или отрицательный электрический заряд.

А как быть в том случае, когда слабое взаимодействие осуществляется без переноса какого-либо заряда, например, когда нейтрино упруго рассеивается на электроне? Такого типа события долгое время вообще не наблюдались, но недавно было установлено, что они все-таки происходят.

Механизм такого взаимодействия может быть обусловлен еще одной гипотетической частицей зэт-мезоном (или зэт-бозоном), не несущей электрического заряда.

Если гипотетические частицы дубль-вэ- и зэт-мезоны будут открыты, то картина слабых взаимодействий станет очень похожа на электродинамическую картину. Существенная разница между ними будет обусловлена лишь различными свойствами этих мезонов и фотона. Действительно, масса фотона равна нулю, из-за этого электромагнитные взаимодействия обладают бесконечным радиусом действия. Гипотетические же переносчики слабых взаимодействий должны иметь очень большие массы, и поэтому радиус действия слабых сил должен быть очень мал, по-видимому, не более 10^-15 сантиметра. Кроме того, фотон нейтрален, а дубль-вэ-мезоны способны нести заряд.

То, что эти частицы еще не открыты, связывается обычно с большой величиной их массы. Пока слабые взаимодействия, которые в чистом виде можно исследовать только с помощью нейтринных пучков, изучались в недостаточно широком интервале энергий, и в будущем мы можем надеяться на открытие дубль-вэ- и зэт-частиц.

К сожалению, модели слабого взаимодействия с гипотетическими мезонами или без них оказались еще хуже того образца, по которому они строились. В этих моделях вообще нельзя было последовательно описать процессы с участием виртуальных частиц. И такое положение в теории слабых взаимодействий сохранялось до недавних пор.

По аналогии с квантовой электродинамикой пытались строить и теорию сильных взаимодействий. Как вы помните, первоначальная идея X. Юкавы состояла в том, что сильные взаимодействия осуществляются при испускании и поглощении пи-мезона. Пи-мезон должен был играть такую же роль, что и фотон в электродинамике. Впоследствии, после открытия ка-мезонов и резонансов, эта идея несколько расширилась, но оказалась все равно не слишком последовательной.

Беда в том, что интенсивность сильных взаимодействий примерно в 1000 раз больше, чем электромагнитных, то есть константа связи типа «альфа» в данном случае больше единицы. Из-за этого получалось так, что все неприятности, которые в электродинамике были спрятаны на фантастически малых расстояниях, теперь уже должны были проявиться на расстояниях, вполне доступных эксперименту.

Расчеты по «квантовой мезодинамике» — так называлась квантовая теория взаимодействия мезонов и нуклонов — не объясняли наблюдаемых закономерностей. С другой стороны, экспериментальные работы по физике сильных взаимодействий развивались в послевоенный период чрезвычайно быстро. Ведь именно сильные процессы наиболее удобны для наблюдений — у них очень высокая интенсивность, и подавляющее большинство событий, возникающих при падении пучка ускоренных протонов на мишень, как раз и происходит за счет сильных взаимодействий. Неуспех электродинамики в качестве эталона теорий породил стремление к созданию новых идей, неизвестных физике прошлого.

В начале 60-х годов некоторые физики выступили с весьма красивой и необычной программой «ядерной демократии». Пожалуй, наиболее активным сторонником этой программы оказался американский теоретик Дж. Чью, ученик Э. Ферми, сделавший очень много для ее развития и разъяснения основных ее путей.

А идеи эти были таковы. Среди адронов нет выделенных частиц; все они равноправны, неэлементарны и представляют собой просто различные состояния адронной материи.

В этом пункте идеи «демократии» наблюдаемых адронов полностью согласовывались с точкой зрения сторонников, скажем, кварковой модели, которые тоже считали адроны неэлементарными и равноправными. Но в дальнейшем пути расходились. Настоящая «ядерная демократия» отвергала всякие попытки представить адроны как различные «кварковые атомы».

Общая философия Дж. Чью и многих других физиков, разделявших его позиции, состояла в том, что эпоха безграничного атомизма кончилась, и гипотезы атомоподобного устройства адронов следует сдать в архив. Основной базой служил, разумеется, простой факт — раз никаких составляющих частей, субэлементарных частиц или кварков ни в одном из многочисленных опытов выделить не удалось, то имеет ли смысл в таком случае говорить об устройстве адронов из каких-то особых привилегированных частиц? Не проще ли считать, что адронная часть микромира основана на демократических принципах, то есть реальные адроны как бы сами устанавливают законы своего бытия?

В положительном ответе на этот вопрос и заключалась главная идея нового подхода к построению адронов. Они должны реализоваться в природе такими, как мы их наблюдаем, за счет определенных сил, обусловливающих их существование. Но так как эти силы, в свою очередь, проявляются в процессах рассеяния адронов, то переносчиками этих сил опять-таки являются сами адроны. Если на основе такого представления удалось бы правильно рассчитать все параметры адронов — массы, времена жизни — и правильно описать их поведение в различных реакциях, то, конечно, не потребовалось бы никаких дополнительных идей и теорий о внутренней их структуре, в частности о кварках.

Самое интересное состоит в том, что на ряде частных примеров теоретикам удалось показать, что существование отдельных частиц действительно взаимообусловлено. Такая процедура получила название бутстрэп (по-русски — просто зашнуровка). Адроны как бы шнуровали друг друга, заставляя появляться нужные для собственного существования другие адроны именно с теми значениями масс, которые и наблюдались на опыте.

Очень важно, что в этом подходе унитарные симметрии получали естественное толкование. Отдельные группировки частиц (по 8 и по 10) оказывались опять-таки взаимосогласованными. Таким образом, симметрия возникала как определенное следствие характера сил, действующих между адронами. И никаких кварков для ее объяснения вроде бы и не требовалось.

Идеи «ядерной демократии» и зашнуровки сыграли весьма положительную роль, хотя и не привели к построению полной теории сильных взаимодействий.

Эти идеи столкнулись с трудностями и внешними и внутренними.

Внешние нарушали традицию, полностью отвергая методы квантовой теории поля. Поэтому заведомо в схему нового подхода нельзя было вписать ни фотон, ни лептоны.

Что же касается внутренних проблем этого подхода, то они как раз и привели к его постепенному отступлению. Дело в том, что свойства адронов нельзя вывести, только изучая закономерности реакций между ними при низких энергиях. Если же учитывать и закономерности реакций при высоких энергиях, то ситуация резко усложняется. Скажем, основную роль начинают играть процессы множественного рождения адронов, и тут приходится искать совершенно новые пути описания…

Но, конечно, решающей трудностью для программы всеобщей зашнуровки адронов оказались эксперименты по зондированию глубоких областей адрона. Партоны не были предусмотрены чисто «демократической» теорией. На ее основе было бы понятно, если бы адроны продолжали оставаться рыхлой облакообразной структурой вплоть до самых малых расстояний. В той картине устройства протона, которую мы обсуждали в предыдущем разделе, это соответствовало бы существованию одной-единственной внешней оболочки, которая заполнила бы собой весь объем протона!

Что делать, природа хитрей наших самых хитроумных проектов…

Однако в некоторых отношениях идеи «ядерной демократии» оказались, безусловно, полезны. Именно в борьбе с кварковой моделью сторонники нового подхода четко выяснили, что реальные кварки, если бы они были найдены, принесли бы теоретикам не только радость, но и множество трудностей. Они оказались бы опять-таки сложными адронами со всеми вытекающими отсюда последствиями. И снова возник бы вопрос: а из чего состоят кварки?

Это заставило сторонников кварковых моделей активно исследовать возможности запирания кварков — надо ведь как-то объяснить отсутствие их на опыте! И согласитесь, что протон как «кварковый атом» выглядит весьма необычно — вовсе не так, как его представляли себе во времена первых составных моделей. На структуру обычного знакомого нам атома, состоящего из ядра и вращающихся вокруг него электронов, эта картина похожа очень мало — вроде бы атом, но вывернутый наизнанку…

В общем, если говорить о какой-то единой атомистической концепции, то приходится признать, что она испытала за последнее десятилетие стремительное развитие.

Быть может, допуская некоторое преувеличение, стоит отметить, что «атомарное» устройство протона примерно настолько же сложнее атома Бора, насколько атом Бора сложней атома Демокрита. Это замечание, конечно, не связано с определением какой-то строгой геометрической пропорции между сложностью конкретных физических моделей. Но оно могло бы вызвать такое недоумение — ведь Демокритов атом рассматривался еще в доньютоновскую эпоху, и его структура представлялась в чисто механических образах, причем законы механики еще не были как следует поняты, не были известны фундаментальные силы… Атом Бора как модель возник уже через двести лет после создания новой физики, когда были известны и законы механического движения, и закон Кулона для силы взаимодействия между электроном и ядром, причем законов обычной механики для описания атома оказалось недостаточно… Неужели кварковая структура протона вносит существенно новые моменты в современную теорию?

В том-то и дело, что вносит! И пока мы еще далеко не полно представляем себе всю новизну положения. Но два момента в этой ситуации уже можно четко отметить.

Во-первых, мы вынуждены вводить в рассмотрение особый класс реальных объектов: кварки-партоны. Эти объекты, как мы их понимаем в настоящее время, совершенно необычны и не имеют предшественников в физике. Они являются элементами структуры адронов, но не могут быть выделены в качестве отдельных частиц, подобно другим элементарным частицам. Можно ли их все-таки считать реальными объектами? Это, как вы помните по обсуждению реальности резонансов, в известном смысле вопрос договоренности. Ведь и резонансы в свое время мы считали чем-то менее фундаментальным, чем стабильные адроны и не очень-то спешили объявить их особым типом элементарных частиц.

Кварки-партоны не способны оставить макроскопический след в веществе, подобно протону или пи-мезону; они не приводят и к таким перераспределениям наблюдаемых следов, как известные резонансы. В этом смысле они ненаблюдаемы и вряд ли будут наблюдаться в будущих экспериментах.

Однако кварки-партоны можно «увидеть» с помощью частиц, обладающих только слабыми и электромагнитными взаимодействиями. Эти частицы — фотон, нейтрино, электрон, мюон — способны проникнуть сквозь внешние оболочки адрона и провзаимодействовать непосредственно с его «кварковым атомом». Более того, один адрон тоже способен «увидеть» структуру другого адрона при взаимодействии на малых расстояниях, когда валентные кварки непосредственно рассеиваются друг на друге.

В отличие от других частиц кварк-партон не должен иметь определенного значения массы — это в высшей степени нестабильное образование. Его масса может иметь совершенно произвольное, случайное значение, зависящее от условий, в которых он находится.

Это не столь уж и удивительно, если учесть, что только у абсолютно стабильных частиц масса определена абсолютно точно. У некоторых короткоживущих резонансов погрешность в определении массы достигает 10 и более процентов. По-видимому, в случае кварков-партонов мы имеем дело с объектами, у которых погрешность в определении массы практически достигает 100 процентов и о какой-то одной определенной массе их говорить не имеет смысла. Единственные четко определенные величины, которые можно приписать кваркам-партонам, — различные заряды. В этом плане они как бы определены по одному свойству: иметь определенные электрический, барионный заряды, «странность» и «очарование».

Во-вторых, силы, действующие между кварками-партонами, весьма необычны. Они должны не убывать с ростом расстояния между ними, а, наоборот, возрастать. Такое представление противоречит привычным для нас понятиям о фундаментальных силах, которые известны уже давным-давно из теории тяготения и из электродинамики. Со школьных лет мы знаем, что закон Ньютона для тяготеющих масс и закон Кулона для взаимодействующих зарядов определяют силы, которые обратно пропорциональны квадрату расстояния между частицами. Еще быстрее убывают с ростом расстояния слабые и сильные взаимодействия между частицами, силы, открытые уже в нашем веке.

На малых расстояниях все эти силы чрезвычайно велики и становятся бесконечно интенсивными в пределе нулевых расстояний, то есть при непосредственном контакте точечных частиц.

Такое представление о характере фундаментальных сил стало своеобразным эталоном, и во многом благодаря успехам квантовой электродинамики. Но, как вы помните, сама квантовая электродинамика оказалась непригодной при исследовании процессов взаимодействия на малых расстояниях.

Поэтому физики стали активно искать новый эталон квантовой теории, который можно было бы использовать в таких условиях, когда электродинамика становится непригодной.

Еще в 1954 году американские теоретики Ч. Янг и Р. Миллс заинтересовались такой проблемой: что будет, если, скажем, изотопическая симметрия между протоном и нейтроном выполняется в каждой точке пространства и в каждый момент времени? Оказалось, что для соблюдения такой симметрии необходимо, чтобы существовало особое калибровочное поле, кванты которого и позволяют переносить взаимодействие между почти сохраняющимися зарядами — изотопическими спинами. Это калибровочное поле играло для указанного заряда примерно ту же роль, что электромагнитное поле — для электрического заряда.

Общая идея состояла в том, что любому точно или приближенно сохраняющемуся квантовому числу можно сопоставить определенное калибровочное поле, подобно тому, как сохраняющемуся электрическому заряду можно сопоставить электромагнитное поле. В сущности, физики хотели устранить явное неравноправие в семействе сохраняющихся квантовых чисел — зарядов. Ведь электрический заряд выступает как бы в двух ролях одновременно — он, во-первых, сохраняется и, во-вторых, характеризует собой определенное взаимодействие. Не является ли электромагнитное поле простейшим частным случаем калибровочных полей и нельзя ли каждому сохраняющемуся квантовому числу придать дополнительную роль заряда, взаимодействующего со своим особым калибровочным полем?

Такие вопросы встали перед физиками. В процессе более чем 20-летнего исследования различных калибровочных полей они и столкнулись с интересным явлением. Оказалось, что калибровочные поля, обладающие высокой симметрией, во многом отличаются от электромагнитного поля.

Например, на очень малых расстояниях соответствующие заряды могут обращаться в нуль, а на конечных расстояниях иметь вполне конечное значение. Это прямо противоположная ситуация по сравнению с электродинамикой! Получается, что заряд не ослабевает из-за экранировки виртуальными частицами, а, напротив, усиливается благодаря такой экранировке. А на малых расстояниях взаимодействие между частицами вообще исчезает.

Столь необычайный результат связан с такими свойствами калибровочных полей с высокой симметрией, которые не могут возникать в простейшем их случае у электромагнитного поля. Оказалось, что кванты сложных калибровочных полей способны непосредственно взаимодействовать друг с другом, тогда как фотоны не могут участвовать в таком взаимодействии — обычный свет «не светится», то есть не порождает новые фотоны.

Калибровочные же кванты способны «светиться» — они охотно порождают новые калибровочные кванты, и именно из-за такого дополнительного взаимодействия возникает необычная антиэкранировка точечного заряда.

Ясно, что такие замечательные свойства калибровочных полей немедленно привлекли внимание теоретиков, пытавшихся объяснить природу межкварковых сил. Кванты калибровочных полей — их и назвали глюонами — должны были сыграть роль удивительного клея, который позволяет кваркам чувствовать себя совершенно свободно внутри адрона, но не отпускает их далеко друг от друга. Теория взаимодействия всех цветных кварков и глюонов получила название квантовая хромодинамика (по-русски — цветодинамика). Она созвучна квантовой электродинамике, пожалуй, только по названию, поскольку свойства глюонов намного сложней, чем свойства фотонов.

Так сформулировалась современная картина строения адронов.

Не стоит, конечно, полагать, что она ясна целиком и полностью. Природа глюонов и, следовательно, сил, действующих между кварками, еще во многом непонятна, и потребуется еще огромная работа теоретиков и экспериментаторов, чтобы детально выяснить все закономерности.

Хотелось бы верить, что в принципе принятая здесь схема строения адрона выглядит правильно. Но не исключено и другое, что между этой схемой и теорией адронов лежит область новой физики, подобно тому, как между моделью атома Резерфорда — Бора и современной теорией атома пролегла квантовая теория со всеми ее необычными представлениями…

Что же делать с эталонами, которые оказываются вовсе не эталонами? Как быть с аналогиями, которые подчас толкают нас по неверному пути?

Ответ может быть только один — надо работать, всегда искать новые возможности. Нравится нам это или нет, только новое не рождается из благих пожеланий и из простого созерцания. Оно создается нашими руками и по нашим проектам.

Важно представлять себе и то, что материалом для создания нового всегда является старое.

Можно тысячекратно объявлять эталоны реакционными пережитками, но это хорошо лишь постольку, поскольку служит стимулом для создания новых эталонов. А создать новый эталон — дело очень сложное.

На начальном этапе всегда приходится заимствовать готовую аналогию и приспосабливать ее к новой области явлений. Скажем, модель электромагнитных взаимодействий приспосабливалась к описанию сильных процессов. В ней делались изменения, и она сама преобразовывалась. Оказалось, что в чем-то она применима, а в чем-то нет. И начинается мучительный процесс перестройки, привлечения других аналогий. Например, в физике адронов пришлось использовать несколько первоначально далеких друг от друга аналогий из других областей — вспомните хотя бы три картины строения адрона.

Одновременно физики учатся — да, да, именно учатся. Они создают новые математические методы анализа микромира, готовят новые экспериментальные средства.

И все эти факторы взаимодействуют между собой. Новые уравнения открывают новые возможности в объяснении наблюдаемых закономерностей. Новые эксперименты привлекают внимание к таким проблемам, на которые раньше не обращали внимания.

Постепенно совокупность старых аналогий, пересаженная на почву новых фактов, настолько преобразовывается, что наступает момент появления новой теории. В сущности, не момент, а какой-то промежуток времени, до которого наблюдалось как бы хаотичное движение противоречивых идей, а после него — упорядоченное представление еще об одной области знания…

Рискуя показаться отчаянным оптимистом, скажу, что в физике адронов мы уже вступили в такой промежуток. Но как близок твердый берег хорошей теории?

На этот вопрос ответить пока невозможно — все-таки мы плывем по незнакомому океану…

Как рождается адрон?

У человека, приступающего к изучению теории любых взаимодействий, всегда создается впечатление, что упругое рассеяние частиц — простейший из простых процессов. Ведь в упругом рассеянии никакие внутренние свойства частиц не изменяются, в результате реакции получаются такие же частицы, какие были до нее.

В самом деле, гораздо проще исследовать, скажем, соударение двух обычных бильярдных шаров, которые все время остаются теми же бильярдными шарами. Лишь в момент соприкосновения они слегка деформируются, чтобы немедленно восстановить свою форму. Вообразим теперь такое положение, когда в результате удара один или оба шара способны рассыпаться на несколько таких же бильярдных шаров, причем этот развал происходит довольно часто, в большом числе случаев.

Физик сказал бы по поводу таких столкновений, что процесс размножения шаров происходит с большой вероятностью, и стал бы немедленно ставить точные опыты, чтобы выяснить, с какой именно вероятностью рождается один дополнительный шар, два дополнительных шара и т. д.

Предположим теперь, что физик узнал все необходимое и натолкнулся на такую любопытную ситуацию. Шары могут охотно рождаться, но все-таки некоторый небольшой процент событий — это чисто упругое рассеяние. И вот вероятность простейшего процесса — упругого рассеяния — оказывается каким-то образом связанной с тем, как ведут себя неупругие реакции, то есть те, в которых рождаются новые шары.

Продолжая свои опыты и осмысливая их теоретически, физик наконец находит закон действия сил между шарами. Иными словами, он определяет форму потенциальной энергии взаимодействия и теперь уже может теоретически рассчитать поведение шаров в результате упругого соударения. И при этом первоначальные подозрения о какой-то связи между упругими и неупругими реакциями превращаются во вполне конкретный факт. Оказывается, что потенциальная энергия взаимодействия между двумя шарами почти полностью определяется процессами «множественного рождения» шаров.

Создается довольно странная, с точки зрения привычной физики, ситуация — свойства самой простой реакции сильно зависят от свойств гораздо более сложных реакций, где могут участвовать многие объекты. Очевидно, все дело в необычности воображаемых шаров, столкновение которых мы обсуждаем. Эти шары охотно разваливаются при соударении и наверняка представляют собой сложные объекты. В момент, когда они сталкиваются и снова разлетаются, то есть взаимодействуют только упруго, они все равно чувствуют сложную структуру друг друга. И в конце концов не столь уж и удивительно, что силы, которые проявляются в таком упругом соударении, сильно зависят от внутреннего устройства этих шаров, от того, каким образом они могут разваливаться на отдельные части…

Вся притча о шарах служит нам, конечно, лишь целям наглядности. Обычные бильярдные шары ведут себя обычным образом, так, как и положено механическим объектам. А описанные здесь воображаемые опыты просто воспроизводят свойства сильновзаимодействующих частиц — адронов.

Сильные взаимодействия, в сущности, потому и называют сильными, что участвующие в них частицы способны интенсивно рождаться. И чем выше энергия сталкивающихся адронов, тем больше в среднем рождается новых адронов. Например, при самых высоких энергиях столкновения протонов, достигнутых в ЦЕРНе (2000 ГэВ), рождается в среднем более десяти только заряженных частиц.

Адроны способны упруго рассеиваться друг на друге. Например, протоны примерно в 20 процентах всех событий при высоких энергиях испытывают именно упругое соударение. Но остальные 80 процентов относятся совсем к иному типу процессов — процессам «множественного рождения». Это и означает, что вероятность образования некоторого числа новых адронов очень велика, и поэтому физики часто говорят, что «множественное рождение» представляет собой главное явление, основной тип реакций с участием адронов.

В 1963 году советские теоретики А. Логунов и А. Тавхелидзе показали, что упругое рассеяние адронов можно описать уравнением, которое представляет собой прямое обобщение уравнения Шредингера на случай движения очень быстрых частиц. Оказалось, что потенциальная энергия взаимодействия адронов действительно определяется в основном множественными процессами.

Большая интенсивность «множественного рождения» служит практически сильнейшим доказательством сложного внутреннего строения адронов.

В свое время Ч. Янг предложил такую наглядную картину. Упругие реакции между адронами возможны главным образом в том случае, когда сталкивающиеся адроны испытывают сравнительно слабый взаимный удар, то есть передают друг другу малый импульс и незначительно меняют направление движения, говорил он. События, в которых происходит передача большого импульса, крайне редки, и дело здесь в том, что адронам просто трудно передать друг другу большой импульс, сохранив свою целостность. Скорее всего они должны просто разваливаться на отдельные части — фрагменты, которые представляют собой не что иное, как обычные адроны. Адрон, не развалившийся при сильном ударе, — редкое явление!

Действительно, например, каждый из сталкивающихся протонов как бы насыщен мезонами, резонансами, парами барион — антибарион, которые охотно появятся в виде реальных частиц, если при соударении исходных протонов выделится достаточно большая энергия.

В 1969 году Ч. Янг со своими сотрудниками построили модель «множественного рождения» адронов, основанную на представлениях о фрагментации сталкивающихся адронов. В результате соударения, скажем, протона-снаряда и протона-мишени каждый из них как бы рассыпается на части — фрагменты, главным образом мезоны. Именно такой механизм образования частиц авторы считали главным. В сущности, он очень похож на способ множественного рождения шаров, который мы рассматривали в примере с необычными бильярдными шарами.

Через некоторое время Р. Фейнман внес важные изменения в эту картину. Фрагментация протона-снаряда и протона-мишени, конечно, существует отметил он, но адроны, которые возникают как фрагменты сталкивающихся протонов, не являются определяющими. Главный механизм «множественного рождения» заключается в образовании большого числа сравнительно медленных частиц, в основном пи-мезонов, которые отнюдь нельзя считать фрагментами сталкивающихся протонов.

Явление, связанное с образованием таких сравнительно медленных частиц, получило название пионизации. Если попытаться пояснить его на основе простой картины сталкивающихся и размножающихся шаров, то придется привлекать весьма необычные представления.

Оказывается, что в результате соударения воображаемые бильярдные шары могут не только разваливаться на фрагменты, но и как бы сбрасывать с себя часть массы. Такие порции от каждого из шаров на небольшое время слипаются и образуют особый объект, который уже нельзя считать частью одного из шаров. Через некоторое время этот своеобразный объект распадается на новые шары.

Так что чем дальше, тем больше необычных свойств приходится приписывать этим бильярдным шарам. Это лишь подчеркивает, насколько далеки привычные механические объекты от того, что наблюдаются в микромире!

Существование фрагментации и пионизации было доказано экспериментально, однако наблюдаемая картина «множественного рождения» адронов оказалась значительно сложнее, чем предполагалось в фейнмановской модели.

Например, исследователи установили, что образующиеся адроны обладают сильной взаимосвязью, иными словами, акты рождения каждой частицы ни в коем случае не являются независимыми друг от друга. Вероятность появления каждого нового адрона зависит от числа уже образовавшихся адронов, причем чем больше их появилось, тем охотней рождаются новые.

Это свойство нельзя понять, не привлекая представлений о каких-то единых образованиях из очень большого числа адронов, которые могут появляться хотя бы на очень малое время в результате соударения.

Идеи о возможном появлении таких единых образований — своеобразных сгустков адронной материи — возникли довольно давно и были связаны с особой точкой зрения на природу «множественного рождения».

Впервые эта точка зрения была сформулирована Э. Ферми еще в 1950 году. В результате соударения протонов возникает чрезвычайно раскаленный сгусток вещества, считал он. Этот сгусток образуется очень быстро и очень быстро разогревается до огромных температур, поскольку вся энергия столкнувшихся протонов выделяется в микроскопически малом объеме пространства. Сразу же после образования сгусток начинает интенсивно распадаться на адроны, излучать их, подобно тому, как раскаленное тело излучает свет, то есть поток фотонов, и излучает до тех пор, пока не высветит всю свою энергию.

Советский физик И. Померанчук заметил в модели Э. Ферми один весьма странный момент: сгусток начинал распадаться на реальные адроны сразу же после соударения. При этом вещество сгустка было сжато до чрезвычайно высоких плотностей, и трудно было предположить, что в такой ситуации появится хоть один реальный адрон. Гораздо естественнее считать, что сгусток сначала должен расшириться и охладиться, а уже после этого он распадется на реальные адроны.

Модель И. Померанчука, которую впоследствии развил другой советский теоретик, Е. Фейнберг, не сразу нашла себе применение. Трудно было согласовать ее с данными наблюдений в предположении, что весь процесс в целом выглядит так, как предписывает эта модель. Однако образуются ли раскаленные сгустки адронного вещества, к описанию распада которых ее и следовало применять?

В 1958 году группа краковских физиков под руководством М. Менсовича исследовала события, вызванные частицами космических лучей в стопках фотоэмульсионных пластинок, побывавших в стратосфере. При энергии налетающей частицы порядка 1 ТэВ (тысяча миллиардов электрон-вольт) были обнаружены любопытные процессы образования двух группировок вторичных мезонов, вылетающих в противоположных друг другу направлениях. После всех необходимых расчетов получалась такая картина, словно эти мезоны происходят от распада каких-то сгустков адронной материи, причем характеристики распада были очень похожи на те, которые встречались в уже упомянутой модели равновесного излучения фотонов раскаленными телами. Отсюда и появилась идея, что в экспериментах обнаружены сверхгорячие объекты с температурой порядка триллиона (10¹²) градусов, которые распадаются за очень малое время на 10–12 мезонов.

У М. Менсовича и его сотрудников этот объект, по-видимому, ассоциировался с образом известной шаровой молнии — компактным, но крайне неустойчивым комком высокотемпературной плазмы, который иногда образуется во время грозы и наводит ужас на очевидцев своими причудливыми передвижениями. Этот сгусток так и был назван файрбол (огненный шар).

Впоследствии такого типа события регистрировались «космиками» неоднократно, и наиболее выдающиеся файрболы даже получали свои имена. Не так давно, в 1971 году, был сфотографирован гигантский ливень, названный «Андромеда» — основное почернение фотопластинки напоминало контурами изображение туманности Андромеды и имело средний диаметр свыше 3 сантиметров. Согласно расчетам ливень был вызван попаданием в атмосферу частицы с энергией не менее 10¹⁶ электрон-вольт.

Однако подобные единичные явления не позволяли с уверенностью говорить о существовании нового класса адронных объектов. Во-первых, всегда оставалась надежда, что при более тщательном анализе большого набора данных на ускорителях «файрбольный эффект» объяснится уже известными частицами и взаимодействиями между ними. Во-вторых, приняв гипотезу о файрболах, физики сталкивались с из ряда вон выходящими свойствами, которые даже при богатом воображении трудно было приписать какому бы то ни было частицеподобному образованию.

Такая точка зрения усилилась еще и в связи с наступлением «резонансного потопа». Резонансы, представляющие собой короткоживущие ассоциации сцепившихся вместе двух или трех адронов, позволили объяснить некоторые тонкие детали «множественного рождения», в частности, появление довольно сильных взаимосвязей между некоторыми парами и тройками образующихся мезонов. Однако, как вы помните, они были достаточно похожи на обычные адроны: обладали определенными, не зависящими от способа рождения массами и другими параметрами. У файрболов, которые должны были формироваться из гораздо большего числа мезонов (до 10), подобной устойчивости параметров не наблюдалось — получалось так, что их массы более или менее равномерно разбросаны по огромному интервалу от 1,5 до 3,5–4 ГэВ. Величина же массы существенно зависит от того, каким способом образовался файрбол.

На сегодняшний день ситуация с существованием файрболов по-прежнему не ясна. Однако есть очень веские доводы в пользу того, что именно они или объекты с очень близкими свойствами обеспечивают сильную взаимосвязь актов рождения адронов.

В общем «множественное рождение» адронов представляет собой очень сложный тип процессов. Он сложен и для экспериментального исследования, и для теоретической интерпретации.

Очень интересно обсудить этот процесс в связи с теми представлениями о структуре адронов, которые мы рассматривали в предыдущих разделах. В самом деле, наличие у реальных адронов весьма сложной структуры — одна из наиболее трудных проблем как раз для теории их образования.

Интуитивно ясно, что рождение составного объекта с развитой пространственной структурой не происходит мгновенно, как какой-то элементарный акт. Требуется определенное время, чтобы такой объект сформировался, испытал необходимую эволюцию.

Элементарный мгновенный акт рождения или гибели частицы — представление, заимствованное из атомной физики, где излучение атома рассматривается как мгновенное испускание фотона электроном. Возможно, что такая картина хороша лишь постольку, поскольку мы считаем фотон элементарной частицей.

Адрон — частица явно не элементарная, и его образование следует считать опять-таки неэлементарным актом с определенной длительностью во времени.

На первом этапе обязательно должен образоваться особый «кварковый атом», скажем, пара из кварка и антикварка — своеобразный зародыш мезона, отражающий его зарядовые характеристики. Появление «кваркового атома» может проходить очень быстро, практически мгновенно, поскольку кварки представляют собой истинно элементарные бесструктурные частицы.

Однако последующие этапы превращения зародыша в реальный адрон должны иметь некоторую длительность. «Кварковый атом» постепенно приобретает свое «кварковое море», внешнюю оболочку из виртуальных адронов, то есть «одевается» и принимает те размеры и формы, которые свойственны реальному адрону. Только после этого новая частица становится реальным адроном и покидает область взаимодействия. Вся операция по формированию адрона занимает не менее 10^-23–10^-24 секунды — за это время адрон и достигает нормальных размеров порядка 10^-13 сантиметра.

Таким образом, простая схема внутреннего устройства адрона, которую мы обсуждали ранее, одновременно отражает те стадии развития, которые должен пройти адрон в процессе рождения, является как бы экономичной формой записи программы эволюции адрона — от элементарного «кваркового атома» до реальной структурной частицы.

Все это может показаться слишком «страшным». Казалось бы, нарисована довольно ясная картина строения адрона — валентные кварки плюс две оболочки, — к чему же теперь все усложнять, называть эту структуру «записью программы эволюции»?

Что поделаешь! Усложнение здесь необходимо, и, конечно, не ради самого усложнения.

Дело в том, что картина строения адрона имеет объективный смысл тогда и только тогда, когда она верна в любой ситуации. Иначе мы вынуждены были бы рисовать множество картинок с подписями типа: «Таким видится адрон такой-то частице при таких-то условиях, а таким при таких-то».

Как вы уже успели убедиться, описание структуры частицы обязательно связано с ее поведением в определенных реакциях. Физик не может говорить о внутреннем устройстве микрообъекта, не подвергая этот микрообъект разнообразным и довольно сильным воздействиям со стороны других микрообъектов. Непосредственно в эксперименте мы наблюдаем поведение частиц только в различных реакциях с другими частицами.

На основе замеченных, подчас весьма необычных закономерностей этого поведения мы должны проделать особую реконструкцию, создать единый образ частицы, который согласуется со всеми данными наблюдений. При этом мы лишены приятной возможности отбросить все абстракции и сложные построения в сторону и просто взять и посмотреть, как же выглядят эти частицы «на самом деле». Потому что на самом деле они выглядят именно так, как… ведут себя в различных реакциях.

Возможная картина поэтапного формирования адронов в области взаимодействия в процессах аннигиляционного типа (разделение на стадии сугубо условное).

На самой ранней стадии образуется партонная «каша» — неравновесное вещество, состоящее из «голых» адронов. Расширение этого сгустка сопровождается формированием пространственных неоднородностей — относительно небольших сгустков виртуальных частиц — своеобразных зародышей реальных адронов. На последней стадии формирование завершается, «зародыши» успевают разойтись на довольно большие расстояния и, разделив между собой «шубу», перестают взаимодействовать. Далее регистрируются свободные адроны, причем с большими взаимными корреляциями — памятью о происхождении из общего партонного сгустка.

В этом смысле физик, изучающий микромир, находится примерно в том же положении, что и палеозоолог, пытающийся по тысячам косвенных данных восстановить внешний вид и повадки какого-нибудь ископаемого ящера. Но специалисту по древнейшей фауне легче хотя бы потому, что он имеет возможность наблюдать собственными глазами других животных, пока не перешедших в разряд ископаемых…

Картина строения адрона из валентных кварков и двух оболочек основана главным образом на исследовании рассеяния электронов. Именно таким и «видится» адрон электрону. Примерно такими же представляются друг другу и адроны в процессах взаимного рассеяния. Теперь же перед нами встала новая задача: выяснить, хороша ли схема с точки зрения процессов рождения адронов? Иными словами, необходимо приспособить эту схему строения к описанию особого типа реакций их образования. Раньше мы имели дело как бы с готовым адроном, а теперь должны понять, как этот адрон приготавливается. Ведь готовые реальные адроны не «сидят» внутри других адронов, они рождаются только в результате соударений.

Именно поэтому и необходимы все разговоры об эволюции, обсуждение законов формирования структурного адрона.

То, что адроны постепенно формируются, как бы наращивая свою структуру, позволяет нам понять общую причину сильной взаимосвязи между актами их испускания. Ведь новые адроны формируют свою структуру за счет единого строительного материала — кварков-партонов, — который в изобилии существует в течение всего времени взаимодействия между столкнувшимися частицами.

А теперь попробуем нарисовать упрощенную картину «множественного рождения».

Предположим, что сталкиваются между собой два протона. Их внешние оболочки, состоящие из виртуальных адронов, возбуждаются, почти готовые виртуальные адроны получают необходимую энергию, достраивают свою структуру и сбрасываются с каждого протона. Этот процесс и соответствует фрагментации.

Родившиеся таким образом адроны представляют собой как бы фрагменты — осколки одного из столкнувшихся протонов. Но, как вы помните, фрагментация — лишь один, и при том не основной, механизм «множественности рождения». Основное число новых частиц появляется не в качестве фрагментов какого-либо протона, а производится, так сказать, коллективно обеими сталкивающимися частицами. Что же происходит в этом случае?

Оказывается, здесь для объяснения такого механизма рождения приходится привлекать свойства кварков-партонов, в основном их способность сильно взаимодействовать на сравнительно больших расстояниях.

В промежуток времени, когда столкнувшиеся протоны взаимодействуют между собой, их внешние оболочки испытывают сильное возбуждение и частично разрушаются. Это может сопровождаться следующим интересным явлением. Начинают активно взаимодействовать между собой кварки-партоны из кварковых морей — промежуточных оболочек каждого протона.

«Морской кварк», находящийся в одном из протонов, воспринимает аналогичный кварк из другого протона как «беглеца», так же как он воспринял бы своего соседа по кварковому морю, попытавшегося уйти на большое расстояние и покинуть собственный протон. Таким образом, кварки из «морей» немедленно начинают взаимную атаку, пытаясь затащить друг друга в свою структуру. Роль арканов, которые кварки из различных протонов набрасывают друг на друга, играют силы, переносимые глюонами.

Результаты этих микросражений могут быть самыми разнообразными. Каждый из протонов приобретет и потеряет то или иное количество кварков, но в среднем итог окажется ничейным, наподобие известной ситуации с двумя равносильными командами, перетягивающими канат. Однако взаимодействие кварковых морей не пройдет бесследно.

Каждый из протонов как бы выплеснет из себя определенное количество кварков-партонов, которые не смогут ни возвратиться назад, ни попасть в другой протон. Порции кварков-партонов из каждого протона объединятся в единый сгусток своеобразного партонного вещества, который уже не принадлежит ни одному из столкнувшихся протонов, а представляет собой какой-то особый объект. Этот объект в высшей степени нестабилен. Но для того чтобы он распался к концу взаимодействия, в нем должны успеть сформироваться реальные адроны. Ведь отдельные кварки-партоны его покинуть не могут, они будут немедленно затянуты назад этим сгустком или одним из протонов.

Исходного строительного материала для формирования реальных адронов в этом сгустке вполне достаточно. Первоначально — по условиям своего образования — сгусток состоит в основном из отдельных кварков и антикварков, покинувших один из протонов.

Кварки и антикварки попарно образуют «кварковые атомы» — зародыши будущих реальных мезонов. Несколько менее вероятно образование зародышей из трех кварков или трех антикварков, которые впоследствии становятся барионами или антибарионами соответственно. Эти зародыши начинают постепенно обрастать структурой, каждый из них формирует вокруг себя из свободных кварков-партонов кварковое море, а потом и внешнюю оболочку. По прошествии определенного времени в сгустке вообще не остается свободных кварков-партонов, все они как бы разбираются по формирующимся вокруг зародышей оболочками. Сгусток превращается в набор отдельных адронов, которые уже полностью сформировались, и распадается на эти адроны, главным образом пи-мезоны.

Теперь понятно, почему этот механизм «множественного рождения» — пионизацию — нельзя рассматривать как развал самих сталкивающихся протонов. Ведь новые частицы образуются в этом случае из особого сгустка, порожденного, в свою очередь, из структурных элементов обоих протонов. Очень вероятно, что зародыши реальных мезонов, которые образуются в таком процессе, представляют собой «кварковые атомы», включающие в себя, скажем, кварки из одного протона и антикварк — из другого. Так что эти мезоны оказываются продуктом «коллективного творчества» обоих сталкивающихся протонов!

Новые мезоны, рождающиеся из сгустка, должны в определенной степени помнить о своем происхождении из единого сгустка кварк-партонного вещества. Видимо, этим и можно объяснить сильную взаимосвязь между ними, заметную взаимозависимость актов рождения различных мезонов. Не исключено, что в результате столкновения протонов образуется не один, а несколько сгустков, которые потом и распадаются, излучая адроны.

Что же это за сгустки? Не являются ли они теми самыми файрболами, о которых сообщали исследователи космических лучей?

Может быть, так и есть; но до полной уверенности еще далеко. Вообще нарисованная здесь картина «множественного рождения» имеет весьма предварительный характер. Многие, причем отнюдь не второстепенные детали пока еще не ясны. Скорее всего это своеобразный проект, набросок той картины, которая появится в будущей теории сильных взаимодействий.

Пока же вопросов все еще больше, чем ответов. Вы, конечно же, заметили, что все заголовки данной главы — тоже вопросы. Их на самом деле много — этих проблем, трудностей и неясностей, относящихся к поведению адронов. А лептоны, а фотон?

И здесь нерешенных задач больше, чем хотелось бы видеть, отмечая 80-летие самой красивой дамы физического королевства…

Впрочем, стоит вспомнить прекрасную бальзаковскую строку: «Ключом ко всякой науке является вопросительный знак». Она, несомненно, должна утешать исследователей микромира, у которых накопилась внушительная связка этих самых «ключей». Остается совсем немного — выяснить, какой из них послужит настоящим «золотым ключиком» к будущей теории элементарных частиц.