Юрий Чирков - Охота за кварками
Неудивительно, что книга ни разу не была переведена полностью. Более того, даже по-английски роман нельзя читать без специальных «ключей» объемистых книг, в которых текст расшифровывается как криптограмма.
Есть идеалисты, которые читают этот роман вот уже добрые десятки лет в надежде найти его разгадку. В США, где Д. Джойс особенно популярен, выходят огромные статьи, которые порой посвящены истолкованию лишь одного какого-нибудь абзаца романа.
Д. Джойс добился своего — он полностью оборвал связи между писателем и читателем. О романе не стоило бы так подробно говорить, если, на удивление, его дух, весь строй не были бы столь созвучны тому, что ныне происходит в физике микромира.
Вольтеровский Микромегас полагал: чем тело меньше, тем меньше у него свойств. Однако с частицами микромира так не получилось. Атом демонстрирует свою неисчерпаемость: элементарные частицы обладают такими противоречивыми, удивительными, странными, поражающими свойствами, что их впору отождествить с персонажами последнего романа Д. Джойса.
В самом деле, частицы могут отличаться массой, временем жизни, электрическим зарядом, лептонным зарядом, спином, изоспином, пространственной четностью, зарядовой четностью, странностью, спиральностью, способом распада, форм-фактором, магнитным моментом, силой взаимодействия с другими частицами и т. д. и т. п.
А ведь завеса микромира только недавно начала приоткрываться!
Вот эта фантасмагория свойств микромира и роднит его с вселенной, созданной воображением ирландского писателя.
И все же Д. Джойс был бы несказанно удивлен, если бы узнал, что четверть века спустя после его смерти одно из придуманных им словечек кварк — перекочует в словарь физиков и станет наиболее популярным словом в субъядерной физике, знаменем этих исследований.
В изложении для пешеходов
Слово «кварк» ввел в науку американский физик-теоретик М. Гелл-Ман (родился в 1929 году в Австрии, в 1944-м его родители перебрались в США). М. Гелл-Мана, как и других физиков, беспокоила неразбериха и толчея, наблюдавшиеся в мире элементарных частиц.
Вооружившись соображениями симметрии, законами сохранения и новейшей математикой, физики-теоретики принялись раскладывать «пасьянсы» из элементарных частиц, тасуя, перекладывая их и так и этак. Обнаружилось: многие частицы могут быть сгруппированы в семейства, близкие по своим основным свойствам.
Гак, к примеру, если учитывать лишь главные характеристики — спины, барионные заряды, близость массы, внутреннюю четность, — закрывая глаза на некоторые различия, то 8 частиц: протон, нейтрон и гипероны Л°, Z+, Z°, Z-, E°, Е~ могут быть объединены в одно семейство барионов (октет) со спином 1/2 и положительной четностью. Подобные группы частиц получили название супермультиплетов.
Нашлась и довольно абстрактная математика, «узаконившая» подобную классификацию: раздел теории групп, известный под названием группы Ли (С. Ли — норвежский математик, живший в прошлом веке).
Математика допускала существование разных наборов частиц: из одной, трех, шести, восьми, десяти и т. д. Физики же наблюдали лишь синглеты (одна частица), октеты (восьмерки) и дециметы (десятки). Эту прихоть природы надо было объяснить.
И вот в 1963 году одновременно и независимо, находясь даже на разных континентах — один в Америке, другой в Европе, — теоретики американец М. Гелл-Ман и австриец Г. Цвейг, чтобы устранить противоречие, высказали гипотезу о существовании трех фундаментальных субъядерных частиц, различными комбинациями которых и является большинство элементарных частиц.
Только в вопросе, как назвать эти «детальки» микромира, М. Гелл-Ман и Г. Цвейг разошлись. Американец, большой, видимо, почитатель творений Д. Джойса, в поисках подходящего имени для новых частиц, возможно, начал перечитывать роман «Поминки по Финнегану» в наткнулся на то место, где дублинский трактирщик возомнил себя королем Марком, персонажем средневековой легенды.
Королю кажется, что его племянник Тристан украл у него жену, прекрасную Изольду. Марк преследует похитителя на корабле. В небе над парусами кружат чайки (которые, впрочем, может быть, вовсе не чайки, а судьи).
Они зловеще кричат-каркают: «ТРИ КВАРКА ДЛЯ МИСТЕРА МАРКА!»
Короля мучают кошмары, а чайки все повторяют: «ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА…»
Слово «кварк» перекочевало со страниц романа Д. Джойса в мир элементарных частиц легко и естественно. Скорее всего в этом отрывке М. Гелл-Мана привлекало то, что число кварков было именно три. Столько, сколько и требовала теория.
Пришлось по вкусу ученому и само слово «кварк» звучное, диковинное, абсолютно незатасканное в других употреблениях.
Итак, М. Гелл-Ман выбрал слово, и оно пришлось к месту. Г. Цвейг же был менее удачлив. Он назвал гипотетические субчастицы, претендующие на роль истинных кирпичиков праматерии, «тузами». Эта картежная терминология оказалась не столь привлекательна (тузов-то 4!), теперь о ней почти никто не вспоминает.
А кварки прижились. Удивляло и радовало, что всего трех кварков было достаточно, чтобы конструировать из них — словно это детские кубики огромное число открытых к тому времени элементарных частиц.
И вновь раздались победные клики в стане физиков.
Казалось, наступила долгожданная пора, когда можно было «закрыть» большинство элементарных частиц за ненадобностью: ведь они были составными!
В 1965 году в журнале «Успехи физических наук» академик Я. Зельдович пишет статью «Классификация элементарных частиц «в изложении для пешеходов». Уже само название подчеркивало: теперь тонкости микромира можно просто и ясно объяснить любому встречному, даже ребенку.
Академик писал в статье, что, возможно, физики добрались до атомизма нового типа, вскрыли, так сказать, новый пласт материи. Что создано нечто вроде новой таблицы Менделеева, только уже на субъядерном уровне.
Тон статьи был мажорный, радостный. «Современный физик имеет полное право повторить строки Ф. Тютчева», — писал Я. Зельдович, и цитировал их:
Счастлив, кто посетил сей мир
В его минуты роковые:
Его призвали всеблагие,
Как собеседника на пир;
Он их высоких зрелищ зритель,
Он в их совет допущен был
И заживо, как небожитель,
Из чаши их бессмертье пил.
Омега-минус-гиперон
Не следует, однако, думать, что концепция кварков была сразу встречена физической общественностью с распростертыми объятиями. Вовсе нет! Как и все действительно новое и оригинальное, поначалу кварки были встречены в штыки. Научные журналы даже отказывались публиковать эту модель. Работы, где фигурировали тузы и кварки, казались не более чем теоретическим фокусом.
Всего более поражало в кварках то, что они обязаны были обладать… дробным зарядом! Вот этот психологический барьер физикам было труднее всего преодолеть.
Как же так? До этих пор считалось само собой разумеющимся, что заряд электронов (или равные ему с обратным знаком заряды протона или позитрона) — это и есть наименьшая возможная порция электричества, нерушимая, казалось, и неделимая. Но кварки потому и кварки, что для них невозможное стало возможным: одному из кварков совершенно необходимо было приписать заряд плюс ⅔, двум другим кваркам — заряд минус √s.
Первоначально упоминание о дробях как о частях прежде неделимого электрона просто шокировало. Мерещилось нечто вроде полсобаки или собачьего хвоста, лапок, живущих самостоятельной жизнью. Вспоминался и гоголевский Нос, разгуливающий по Невскому проспекту микрофизики.
Понадобилось некоторое время, чтобы ошеломленным физикам кварки стали напоминать уже не тявкающий хвост, а нечто гораздо более тривиальное маленькую (меньше, чем электрон!) собачку, и все. Почему бы ⅓ заряда электрона (на данном этапе развития физики) и не быть самым крохотным зарядом? Почему не предположить, что в электроне как раз и собралась троица таких необычных электрических элементов?
Кстати, заметим, кроме кварков, должны существовать еще и антикварки. Поэтому полный спектр кварковых зарядов есть +⅓ и — ⅓, +⅔ и — ⅔.
Надо понимать еще и то, что кварки меж собой различаются не только зарядами, но и другими свойствами.
Поэтому главной троице кварков, кроме общей «фамилии», следовало — и это было сделано — присвоить и отдельные «имена».
Правда, имена эти пока еще не отстоялись окончательно: называют кварки по-разному: говорят о р-, п-, λ-кварках (от слов «протон», «нейтрон» и «лямбда-частица»). Их обозначают и как u, d и s (первые буквы слов up верхний, down — нижний, strange — странный). Еще — совсем в духе Д. Джойса! — кварки называют парком (р), нарком (n) и ларком (λ).
В этих именах-обозначениях очень красиво выглядят наши старые знакомцы протон (Р) и нейтрон (N) — будем обозначать их большими буквами, чтобы отличать от кварков (строчные буквы). По классификации М. Гелл-Мана и Г. Цвейга:
