Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы
Самое удивительное свойство кварков и глюонов — это явление асимптотической свободы: если сила взаимодействия электрических зарядов убывает с расстоянием (вспомните закон Кулона), то у этих частиц — возрастает (как у растягиваемой пружины), и поэтому на близких расстояниях они могут рассматриваться как свободные! Но отсюда следует, что при рассеянии налетающих частиц с высокой энергией, скажем, на протоне эти частицы рассеиваются как бы на отдельных центрах — кварках (возможно, с участием глюонов).
Таким образом подтверждается модель партонов, выдвинутая Фейнманом, а любой барион можно при таких энергиях рассматривать как «мешок с кварками». Парадоксальным выглядит и такое положение: чем выше энергия, тем проще рассчитывать процессы с участием этих частиц — в КЭД, как и в классической физике, прямо наоборот: чем выше энергия, тем большее количество процессов становится возможным, и тем труднее предсказывать результат.
Тут сразу же возникает вопрос: а что если выбить из нуклона такой партон, каким он будет? Такие опыты, процессы глубоко неупругого рассеяния, конечно, ставились: при этом из нуклона вылетают две противоположно направленные адронные струи, два глюбола, но состоят они из «целых» частиц и отдельных кварков или глюонов не содержат.
Квантовая хромодинамика (КХД) еще очень далека от своего завершения, поэтому при рассмотрении процессов с сильными взаимодействиями часто приходится строить различные специфические модели, развивать частные теории. Однако за все годы развития физики сильных взаимодействий (их нужно отсчитывать, по крайней мере, от появления теории ядерных сил Юкавы в 1935 г.) — это первая и самая стройная теория таких взаимодействий.
Верхний ряд: первая марка слева посвящена объединению слабых и элетромагнитнх взаимодействий (Глэшоу, Вейнберг, Салам), вторая — открытию промежуточных мезонов (Руббиа), третья — приобретению частицами массы за счет гипотетического механизма Хиггса. В нижнем ряду: первая марка слева — выявление трех "поколений" основных частиц, лептонов и кварков, вторая — предсказание кварков Гелл-Манном и Цвейгом, последняя марка посвящена теории суперсимметрии, гипотетическому объединению всех типов взаимодействий — сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных — при очень высоких энергиях. Подтверждение этой теории будет означать исполнение мечты Эйнштейна о единой теории поля
7. Предвидение ЭйнштейнаПоследние десятилетия своей жизни Эйнштейн посвятил попыткам создания единой теории поля: объединению электромагнетизма и гравитации. В речи, посвященной Планку, он говорил: «Высшим долгом физиков является поиск тех общих элементарных законов, из которых путем дедукции можно получить картину мира. К этим законам ведет не логический путь, а только основанная на опыте интуиция… Душевное состояние, способствующее такому труду, подобно чувству верующего или влюбленного».
В течение многих лет над этими попытками слегка посмеивались — причуда гения, чисто философское построение, такое объединение в принципе невозможно! Сейчас становится яснее, что Эйнштейн, по-видимому, просто слишком опережал свое время: не были еще известны все виды взаимодействия, а ведущая его идея — идея фундаментального единства сил природы — вполне работоспособна!
В последние десятилетия фундаментальная физика развивается в направлении, предвиденном Эйнштейном — это теории великого объединения, суперсимметрии, струн. Рассмотрим, очень кратко, идеи, лежащие в их основе.
Начать следует с того, что три типа взаимодействия (слабое, электромагнитное и сильное) строятся по одной модели: основные фермионы — это кварки и лептоны — взаимодействуют через обмен квантами калибровочных полей — глюонами и промежуточными бозонами (фотон и три векторных мезона). Кроме того, при очень больших энергиях слабое и электромагнитное взаимодействия объединяются в электрослабое взаимодействие.
Теперь естественно попытаться присоединить к этим двум и сильное взаимодействие, т. е. попробовать выяснить, не могут ли все эти три столь различных вида, совпадать при каких-то условиях. Поскольку интенсивность кварк-глюонных взаимодействий падает с расстоянием, а вероятности электрослабых, напротив, растут, то такую область можно найти — она оказывается на уровне энергий 1014 ГэВ, что очень далеко выходит за все мыслимые возможности аппаратуры и соответствует расстояниям в 10-28 см (напомним, что размер атомного ядра — порядка 10-12 см). Однако, во-первых, некоторые ее следствия могут проявиться при гораздо более низких энергиях, во-вторых, такая система может прояснить ряд принципиальных проблем уже существующих, вполне земных теорий (в частности, дать возможность, наконец, теоретически вычислить величину заряда электрона — сейчас она берется из эксперимента), а в-третьих, она необходима для решения проблем космологии (об этом ниже).
Такие модели (их несколько) рассматривают все частицы сгруппированными в поколения фермионов — сейчас известны три поколения, каждое включает два кварка и два лептона, и каждому соответствует такое же семейство античастиц:
(u, d, e-, νе), (c, s, μ-, νμ), (t, b, τ-, ντ),
причем каждый кварк существует в трех цветовых модификациях.
При этом в ряде моделей уже предполагается нарушение закона сохранения барионного числа, сохраняется лишь разность барионного и лептонного чисел, а также электрический заряд. Поэтому теория допускает возможность распада протона на позитрон и пи-ноль-мезон и т. п. (первым такую гипотезу с учетом несохранения СР-инвариантности выдвинул еще в 1967 г. А. Д. Сахаров). Однако время жизни протона при этом оказывается не менее 1030 лет, что на много порядков превосходит время существования Вселенной и означает, что такие случаи должны быть очень редки, хотя и могут быть, в принципе, обнаружены (несколько сообщений о наблюдении распада протона были затем опровергнуты). Того же порядка — рассчитанная вероятность превращения нейтрона в антинейтрон. Более перспективными выглядят сравнение распадов некоторых тяжелых мезонов и их античастиц и поиски превращения одних в другие, когда нарушается закон сохранения барионного заряда на уровне кварков высших ароматов — такие поиски активно продолжаются, они представляются доступными на современных ускорителях, хотя и требуют многих усилий.
Дальнейшее обобщение теории — это теория супергравитации, включающая в себя уже все существующие поля и взаимодействия, именно она является наиболее полным воплощением идеи Эйнштейна (заметим, что вывод теории гравитации из калибровочных полей Янга-Миллса предложил еще в 1956 г. Р.Утияма). Дело в том, что если при обычных энергиях электрическое отталкивание двух электронов в 1042 раз сильнее их гравитационного притяжения, то с ростом энергии гравитационное притяжение быстро нарастает, как квадрат энергии, и при фантастической энергии в 1019 ГэВ, т. е. на расстояниях порядка 10-33 см, гравитационная энергия сравнивается с кинетической энергией электронов: гравитационное взаимодействие становится сильным.
При таких энергиях масса движения электрона возрастает до примерно 10-5 г, что в миллиард миллиардов раз выше его массы покоя. Эту величину называют массой Планка: она близка к расчетной массе монополя Дирака и не очень, всего на несколько порядков, отличается от массы великого объединения.
Гравитационное взаимодействие должно осуществляться обменом специальными квантами — гравитонами, они, как и фотоны, должны быть безмассовыми, но в отличие от фотонов их спин должен равняться не единице, а двум. Это различие ведет к тому что они осуществляют лишь гравитационное притяжение, отталкивания не существует. Но их поток столь слаб, что нет никаких надежд создать и зафиксировать их в земных условиях — сейчас остается лишь уповать на то, что во время какого-нибудь звездного катаклизма их мощный поток достигнет земной лаборатории с соответствующими приборами.
Одним из следующих шагов в направлении объединения является теория суперсимметрии: объединяются воедино частицы, подчиняющиеся статистикам Ферми и Бозе, т. е. с целым и полуцелым спинами. При этом каждому фермиону должен соответствовать бозон, и поэтому приходится постулировать целый ряд еще не наблюдавшихся частиц — нахождение хотя бы одной из них можно будет считать серьезной заявкой на справедливость такой теории.
Трудности, стоящие перед всеми этими теориями, громадны, эксперименты их пока не опровергают, но и не подтверждают — работа продолжается…
8. «Квантовая лестница»Поскольку мы рассмотрели, как открывали новые частицы, и определяли свойства их взаимодействий, теперь можно взглянуть на эти процессы в целом и определить, где и когда физика с ними встречается. Оказывается, все, о чем мы говорили, может быть распределено по таким ступеням «квантовой лестницы»:
