книги / Физика для бакалавра. Ч. 2-1

рами. Заметить растяжение нейтрона на опыте так и не удалось, помешали побочные эффекты.

Разгадка этого явления пришла после открытия тяжелых мезонов Ρ и Ω. Выяснилось, что π-мезоны при определенных условиях могут «слипаться» и превращаться в короткоживущие частицы. Это и были Ρ- и Ω-мезоны. Из таких «слипающихся» и снова разваливающихся частиц и состоит «шуба» нуклона. В протоне условия благоприятствуют образованию заряженных «капель», а в нейтроне – нейтральных, поэтому электроны и не чувствуют мезонной оболочки нейтрона. Чтобы ее обнаружить, нужно просвечивать нейтрон пучком жестких протонов. Во всех взаимодействиях нейтрон ведет себя, как частица с «размазанной» в пространстве массой и равным нулю радиусом распространения электрических зарядов.

Но все это не упростило картину строения нуклонов, а только усложнило ее. Если бы протон представлял собой монолитную единую картину, то согласно третьему закону Ньютона величина импульса столкнувшегося и отскочившего от протона электрона дала бы сведения о движении протона как целого. В опытах с рассеиванием очень жестких электронов получилось иначе – вместо четкой точки на экранах получилось размытое пятно. Американский физик Р.Фейнман первым понял, в чем тут дело. Используя аналогию с радиолокацией, где разваливающаяся на куски ракета или самолет предстают на экране радара расплывчатым пятном, Фейнман предположил, что нуклоны состоят из мелких частичек. Из них состоит его керн и мезонное облако. Эти частицы он назвал партонами – от английского слова part – часть. Теперь можно спросить, что же такое нуклон – керн, одетый в мезонную «шубу», или комочек мелкозернистой партонной «икры»? Объекты микромира, их необычную сущность нельзя объяснить одной картиной – они слишком сложны для этого. Наглядное представление о нуклоне – это набор отдельных картинок.

Также и обилие открытых и вновь открываемых адронов и резонансов навело ученых на мысль об их сложном строении.

401

Гелл-Манн и Цвейг независимо друг от друга предположили, что все адроны состоят из более фундаментальных частиц, названных Гелл-Манном кварками. Цвейг предложил назвать кварки тузами, Фейнман – партонами, но эти названия не прижились. О происхождении названия «кварк» у физиков в ходу две легенды. По одной из них оно появилось, как шутка – в немецком языке слово «кварк» означает одновременно «творог», «протоплазма» и «чепуха». Поначалу теоретики с юмором относились к сделанному открытию. Согласно другой легенде название новой элементарной частицы взято из романа Джойса «Поминки по Финнигану», где в бредовом сне героя летящие за кораблем чайки выкрикивают человеческими голосами фразу: «Три кварка для мистера Марка».

Поначалу многие ученые считали кварки курьезом, временными «строительными лесами» новой, более совершенной теории. Но не успели они оглянуться, как оказалось, что с помощью кварков просто и наглядно объясняются различные экспериментальные факты, а теоретические вычисления сильно упрощаются.

В целом картина строения материи стала приобретать более привычные черты: нуклоны состоят из кварков, большее из меньшего, и ступеньки воображаемой лестницы вновь выпрямились и пошли вниз. Кварки обладают несколькими выдающимися особенностями. Их заряд равен –1/3 и +2/3 электронного, а в природе до этого не находили частицы с дробным зарядом. Также у кварков есть цвет и аромат. Аромат – это просто способ различать шесть кварков. Сначала хотели их просто пронумеровать, но решили, что нельзя назвать один кварк первым, а другой – последним, и ввели понятие аромата. Конечно же, понюхать кварк нельзя, это лишь удобный и необычный термин,

такой как странность, очарование или прелесть.

Цвет кварка – это его своеобразный заряд. Испуская или поглощая глюон, кварк меняет свой цвет. Глюоны, подобно пчелам, снуют между кварками, перенося цвет. В зависимости

402

от того, сколько и какой «пыльцы» унес глюон, кварк приобретает определенный цвет. Кварковый заряд – цвет – во многом похож на электрический. Он также может быть большим или маленьким, положительным или отрицательным (тогда говорят, что цвет сменился антицветом). Но есть и отличие. Как бы не изменялся электрический заряд, он всегда остается зарядом,

ацветовой заряд может изменить свой цвет.

Соткрытием цвета микромир стал ярче и разнообразнее, но кварков стало уже 18. Слишком уж сложной стала «самая элементарная частица».

34.4.Кварки и лептоны

Кнастоящему времени установлено существование пяти ароматов кварков: u, d, s, c, b. Неоднократно поступали сообщения об открытии t-кварка, но окончательно его существование не установлено. Массы кварков: mu = 5 МэВ, md = 1 МэВ, ms =

=150 МэВ, mc = 1,3 ГэВ, mb = 5 ГэВ, mt > 22 ГэВ. Эти данные – оценочные и грубо ориентировочные, так как кварки в свободном состоянии не наблюдались и их нельзя было исследовать прямыми методами.

Все кварки имеют спин 1/2 и барионный заряд 1/3. Кварки u, с, t, называют верхними, так как они имеют заряд +2/3, а s, b с электрическим зарядом –1/3 – нижними. Кварк s является носителем странности, с – очарования, b – красоты (прелести). Странность была обнаружена в 1953 году при открытии К-мезо- нов и гиперонов. Они рождались за счет сильных взаимодействий с характерным временем порядка 10–23 с, а времена жизни оказались порядка 10–8–10–10 с. Было совершенно непонятно, почему они живут так долго, почему не распадаются за счет сильного взаимодействия, в результате которого они возникают? Дальнейшие исследования показали, что странные частицы рождаются парами. Это навело на мысль, что сильные взаимодействия не могут играть роли в распаде частиц из-за того, что для их проявления необходимо присутствие двух странных ча-

403

стиц. По той же причине запрещено рождение одиночных странных частиц.

В основе запрета какого-либо процесса лежит некоторый закон сохранения. Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных частиц, М. Гелл-Манн и К. Нишиджима ввели новое квантовое число s, суммарное значение которого должно, по их предположению, сохраняться при сильных взаимодействиях. Его и назвали странностью.

Очарованный кварк – это кварк с квантовым числом с, которое у всех остальных равно нулю, равным единице. Частицы семейств χ и ψ представляют собой различные уровни (состояния) системы. Эта система названа чармонием, по аналогии с системой электрон – позитрон, названной позитронием. Поскольку очарование кварка и антикварка в чармонии в сумме дает нуль, говорят, что эта система обладает скрытым очарованием. В 1976 году были предсказаны и открыты частицы с явным очарованием.

Красота – это разность между числами b кварков и b антикварков. Красота сохраняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях и может нарушаться при слабых.

Цвет внутри нуклона от кварка к кварку переносят частички – глюоны. Они похожи на фотоны. У глюонов нет массы, они движутся со скоростью света. Однако в отличие от зарядовонейтральных фотонов, глюоны просто «измазаны» зарядом. Фотон никакого нового электрического поля вокруг себя не создает. Глюон же своим собственным зарядом рождает новые глюоны и происходит лавинообразное саморазмножение.

Каждый кварк утоплен в толстом комке глюонной «резины». Очищенными от глюонов они становятся лишь в центре нуклона. Зондирование центральных областей нуклона дало неожиданные результаты – чистые кварки – легкие объекты, они в 100 раз легче нуклона. Оказывается, нуклоны состоят в основном из глюонов.

404

Опыты показали, что в центре элементарной частицы кварки почти не связаны взаимодействиями и ведут себя как плавающие в воздухе надувные шарики. Если же кварки пытаются разойтись, то сразу возникают связывающие их силы. Сквозь стенки протона легко проникают пучки зондирующих электронов, их пронизывают фотоны и нейтрино. И в то же время оттуда не может вырваться ни один кварк. Понять, почему это происходит, можно на очень простой модели. Представим себе, что между кварками натянуто что-то вроде резиновых нитей. Когда кварки рядом друг с другом, нити провисают, и ничто не мешает им двигаться. Но как только они расходятся, нити натягиваются

иутягивают кварки обратно. Если в один из кварков «выстрелить» быстрым электроном, то он получит большой импульс и отскочит. Но его движение будет продолжаться лишь до тех пор, пока натяжение «резиновой нити» не возрастет настолько, что их энергии хватит на рождение новой пары кварков. «Нить» рвется, в точке разрыва выделяется энергия и рождается пара кварк–антикварк. Антикварк и выбитый электроном кварк «слипнутся» в мезон, а оставшийся кварк займет место выбитого кварка.

Теперь должно быть понятно, почему не удается выбить кварк из нуклона: сколько по нему ни бей, из него будут вылетать целые частицы – адроны, а не их осколки – кварки и антикварки.

Каждый лептон характеризуется лептонным зарядом, или лептонным числом. Следует различать мюонный, электронный

итаонный заряды, обозначаемые соответственно через Lμ, Le, Lτ. Это различные величины, хотя им условно приписываются одинаковые числовые значения. Условились для всех отрицательно заряженных лептонов считать лептонные заряды равными +1. Лептонные заряды всех остальных частиц находятся из

экспериментально установленного факта, согласно которому в замкнутой системе разность между числом лептонов и антилептонов остается постоянной. Для этого нужно придать этому

405

факту форму закона сохранения лептонного заряда. При этом лептонные заряды всех остальных частиц принимаются равными нулю, так как у этих частиц свойства, связанные с существованием лептонного заряда, не обнаруживаются. Закон сохранения лептонного заряда требует, чтобы все положительно заряженные лептоны имели лептонный заряд, равный –1. Это видно из того, что возможны реакции:

e+ + e– → 2γ, μ+ + μ– → 2γ, τ+ + τ– → 2γ.

Только тогда суммарный лептонный заряд правой части будет равен нулю, а это необходимо, так как фотон лептонного заряда не имеет. Из возможности процессов

π+ → μ+ + νμ, p → n + e++ νe

следует, что лептонный заряд νe и νμ равен +1, а соответствующих им античастиц равен –1. Аналогично надо приписать ντ лептонныйзаряд+1,асоответствующейемуантичастицезаряд–1.

Внастоящее время существует гипотеза о родстве кварков

илептонов. Эту гипотезу выдвинули А. Салам и Дж. Пати. По их мнению, кварки и лептоны очень похожи. Лептон является белым состоянием кварка. Электрические заряды лептонов 0

и1, т.е. 0/3 и 3/3, прекрасно укладываются в один ряд с зарядами кварков. Что же касается масс, то по их гипотезе это результат влияния окружающего фона. Ведь вокруг всякой частицы образуется облако испущенных ею частиц, которые экранируют частицу и изменяют ее свойства. Только такие заэкранированные, закутанные в облака частицы с измененными, или, как говорят физики, эффективными свойствами и наблюдаются на опытах. Внутри облака частица чувствует себя, как в ванне. А поскольку плотность и состав облака зависят от величины заряда и других характеристик частицы, вес членов кваркового мультиплета оказывается различным.

Новая теория сократила список независимых элементарных частиц, сделала таблицу более стройной. Однако одного этого еще недостаточно, чтобы физики поверили в гипотезу о тесной

406

связи кварков с лептонами. Новая теория всего лишь заменила один непонятный факт – упрямство лептонов, другим – их родством с кварками. Это все равно, что старую тайну объяснять с помощью новой загадки. Уильям Оккам, член Ордена нищенствующих монахов, выступавший с лекциями по богословию и логике, говорил: «Не следует с помощью большего делать то, чего можно достигнуть меньшей ценой» или более кратко: «Сущностей не следует умножать сверх необходимого». С тех пор этот принцип называют «бритвой Оккама». Она срезает все слабо обоснованные гипотезы, вылущивая зерна истины. Это первый краеугольный камень научного исследования. Второй краеугольный камень – обязательная проверка экспериментом. Как ни стройна была бы теория, если она не проверена на опыте, то относится к разряду недоказанных гипотез. Аристотель, например, считал, что у женщин меньше зубов, чем у мужчин. Ему и в голову не приходило проверить это, хотя у него было две жены. Этот пример выглядит историческим анекдотом, но он полно передает пренебрежение науки того времени к эксперименту. Если же теория такова, что выводы ее можно проверить лишь в далеком будущем, ученые подходят к ней

сбольшой осторожностью.

Втеориях, основанных на родстве кварков и лептонов, глюоны, перенося цвет, могут сделать кварк лептоном, и такая частица (например, протон) сразу же распадется на составные части, поскольку частиц, состоящих из смеси кварков и лептонов, в природе не существует. Подобной радиоактивности ни в одной другой теории нет, поэтому распад протона будет убедительным доказательством того, что кварки и лептоны – близкие родственники. Расчет говорит, что протон распадается крайне редко. В теле человека от рождения до смерти распадается в среднем 1 протон. Пройдет немало лет, прежде чем потери атомов в мире станут заметными.

Как же обнаружить такое сверхредкое событие? Прежде всего, заметим, что протон имеет положительный заряд. Значит,

407

при распаде через какое-то время образуется позитрон. Двигаясь

ввеществе, он встретится с электроном, и они аннигилируют

вкванты света. Эти искорки света – сигналы о «протонных катастрофах» в веществе. Засечь их очень трудно, и поэтому физикам приходится наблюдать за большим объемом вещества сразу. Пока ни одного распада протона зарегистрировать не удалось, но физики со всего мира ждут вестей с «протонного фронта». Если же ни один протон так и не распадется, это послужит сигналом тому, что физики в чем-то крупно ошибаются, и тогда придется искать новую дорогу в недра микромира.

34.5. Великое объединение

Одной из основных целей современной теоретической физики является единое описание окружающего нас мира. Например, специальная теория относительности объединила электричество и магнетизм в единую электромагнитную силу. Квантовая теория, предложенная в работах Глеэшоу, Вайнберга и Салама, показала, что электромагнитное и слабое взаимодействия могут быть объединены в электрослабое. Так что есть основания полагать, что все фундаментальные взаимодействия в конечном итоге объединятся. Если мы начнем сравнивать сильное и электрослабое взаимодействия, то нам придется уходить в области все больших энергий, пока они не сравняются по силе и не сольются в одно при энергии в 1016 ГэВ. Гравитация же присоединится к ним согласно стандартной модели при энергии в1019 ГэВ. К сожалению, такие энергии сталкивающихся на ускорителях частиц не только недоступны, но и вряд ли будут доступны

вбудущем. Однако теоретические исследования по поиску единой теории всех фундаментальных взаимодействий идут полным ходом.

Объединение двух фундаментальных теорий современной физики – квантовой теории и общей теории относительности –

врамках единого теоретического подхода до недавнего времени было одной из важнейших проблем. Примечательно, что эти две

408

теории, взятые вместе, воплощают почти всю сумму человече-

в том, что вместе они могут объяснить поведение материи практически в любых условиях – от внутриядерной до космической области. Большой загадкой, однако, была несовместимость этих двух теорий. И было непонятно, почему природа на своем глубоком фундаментальном уровне должна требовать двух разных подходов с двумя наборами математических методов, двух наборов постулатов и физических законов? В идеале хотелось бы иметь единую теорию поля, объединяющую эти две фундаментальные теории. Однако попытки их соединения постоянно разбивались из-за появления бесконечностей (расходимостей) или нарушения некоторых важнейших физических принципов. Объединить эти теории удалось лишь в рамках теории струн и суперструн.

История создания теории струн началась с чисто случайного открытия в квантовой теории, сделанного в 1968 году Дж. Венециано и М. Судзуки. Перелистывая старые труды по математике, они случайно натолкнулись на бета-функцию, описанную в XVIII веке Леонардом Эйлером. К своему удивлению, они обнаружили, что, используя эту функцию, можно замечательно описать рассеяние сталкивающихся на ускорителе частиц. В 1970–1971 годах Намбу и Гото поняли, что за матрицами рассеяния скрывается классическая (не квантовая) релятивистская струна, т.е. некий микроскопический объект, отдаленно напоминающий тонкую, натянутую струну. Потом были сформулированы и построены методы квантования таких струн. Однако оказалось, что квантовую теорию струн корректно (без отрицательных и больших единицы квантовых вероятностей) можно построить лишь в 10 и 26 измерениях, и модель сразу перестала быть привлекательной. 10 лет эта идея влачила жалкое существование, потому что никто не мог поверить, что 10или 26-мерная теория имеет какое-либо отношение к физике

409

в 4-мерном пространстве. Когда в 1974 году Шерк и Шварц предположили, что эта модель является на самом деле теорией всех известных фундаментальных взаимодействий, никто не принял это всерьез. Спустя 10 лет, в 1984 году, появилась знаменитая работа М. Грина и Д. Шварца. В этой работе было показано, что возникающие при квантовомеханических расчетах бесконечности в точности сокращаются благодаря симметриям, присущим суперструнам. Струны бесконечно тонки, но длина их конечна и составляет около 10–33 см. Это ничтожно мало даже по сравнению с размером нейтрино, так что для многих задач можно считать объекты точечными. Но для квантовой теории струнная природа элементарных частиц очень важна.

Струны бывают открытыми и замкнутыми. Двигаясь

впространстве-времени, они покрывают (заметают) поверхности, называемые мировыми листами. Отметим, что поверхность мирового листа гладкая. Из этого следует одно важное свойство струнной теории – в ней нет ряда бесконечностей, присущих квантовой теории поля с точечными частицами.

Струны имеют определенную устойчивую форму колебаний– моды, которые обеспечивают частице, соответствующей данной моде, такие характеристики, как масса, спин, заряд идругие квантовые числа. Это и есть окончательное объединение – все частицы могут быть описаны через один объект – струну. Таким образом, теория суперструн связывает все фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы между собой способом, похожим на тот, которым скрипичная струна позволяет дать единое описание всех тонов – зажимая по-разному скрипичные струны, можно извлекать самые разные звуки.

Простейшее струнное взаимодействие, описывающее процесс превращения двух замкнутых струн в одну, можно представлять в виде устоявшейся аналогии – обычных брюк, форму которых приобретают их мировые листы. В этом случае штанины символизируют сближающиеся струны, сливающиеся в одну

врайоне верхней части брюк. Соединим два простейших струн-

410