Ирина Радунская - Безумные идеи
Но теория все еще напоминает некие шаманские обряды. Она основана не на глубоком понимании, а на почти интуитивном установлении неких правил, определенных операцией с индексами и числами, которые вполне заслуживают наименования магических.
Магические числа уже сыграли большую роль в построении деталей протонно-нейтронной модели ядра. Из опыта известно, что особенно устойчивыми являются ядра, содержащие вполне определенные количества протонов и нейтронов. Эти количества определяются числами 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Любая теория ядра, претендующая на достоверность, должна объяснить этот опытный факт.
Изящная «оболочечная модель», предполагающая, что ядерные частицы группируются в оболочки, отчасти родственные электронным оболочкам, приводила к числам 2, 8, 20, 40, 70, 112. Совпали только первые три числа, и это потребовало существенного уточнения теории.
Как здесь не припомнить пифагорейцев с их музыкой чисел, управляющей судьбами миров и людей!
Небольшие простые числа, выражающие квантовые законы сохранения, позволили создать новую, более четкую классификацию восьми десятков частиц, подверженных сильным взаимодействиям. Некоторые свойства частиц определяются не непосредственно квантовыми числами, а их комбинацией. В этом случае для упрощения записей пришлось прибегнуть к буквенным обозначениям – каждая из греческих букв заменяет определенную комбинацию квантовых чисел. Новая классификация позволяет расположить все известные сейчас частицы в четком порядке, который, в свою очередь, полезен в сложном процессе «предсказания» неизвестных еще частиц. В связи с тем, что для новой классификации избраны греческие буквы, некоторые частицы пришлось переименовать, так как большинство ранее известных частиц было обозначено тоже буквами греческого алфавита. Например, ка-частица стала каппа-частицей. Интересно, что в новой классификации греческие буквы расположены не по алфавиту, а совершенно хаотически. Иначе и быть не могло. Ведь первоначальные наименования давались частицам по мере их открытия и в соответствии с прежними воззрениями или даже по прихоти первооткрывателя. Естественно, что после создания новой классификации были две возможности: примириться с этим несущественным хаосом или переименовать заново большинство частиц. Переименование обеспечило бы порядок в таблицах, но потребовало бы переучивания и запоминания новых названий. Оно могло привести к путанице и недоразумениям, и ученые избрали хаос.
Простые числа, связанные между собой простыми соотношениями и не вполне осознанными правилами, позволяют, как мы видели на примере восьмиступенного пути, на основе свойств известных частиц предвидеть некоторые свойства неизвестных, например их массу, заряд, странность и другие. Но никто не может сказать, почему электрические заряды частиц всегда одинаковы и различаются лишь знаком или равны нулю. До сих пор никто не может сказать, завершен ли список микрочастиц, или нам предстоят новые открытия. Никто не может определить, какие из них элементарны. Неясно, какие частицы считать элементарными, какие сложными.
Опыт последних лет заставил ученых склониться к мысли о том, что ни одна из частиц, подверженных сильным взаимодействиям, даже совершенно устойчивый протон, не является действительно элементарной. Возможно, все они, так же как и ядра атомов всех элементов, являются лишь различными состояниями единой формы (сильно взаимодействующей) материи.
Правда, часть ученых все же продолжает считать протон элементарной частицей, а остальные сильно взаимодействующие частицы его детищами. Но отстаивать эту точку зрения становится все труднее.
Против нее эффективно борется новая гипотеза, известная под названием гипотезы «сапожных шнурков». Это название связано с тем, что в основе гипотезы лежит сложное переплетение свойств барионов, которое при графическом изображении может вызвать ассоциацию со шнуровкой ботинок.
В этой области у ученых есть очень интересные предположения.
Представьте себе, что быстрый нейтральный пион столкнулся с протоном. Что явится результатом этого взаимодействия? Физик скажет – протон и нейтрон. Не противоречит ли это закону сохранения вещества, ведь протон и нейтрон много тяжелее, чем протон и пион? Нет, не противоречит. Ведь еще Эйнштейн доказал, что энергия тоже обладает массой и при подведении баланса нужно ее учитывать. Здесь, в процессе столкновения, произошло превращение энергии движения пиона в недостающее вещество.
Можно ли на основании этой реакции считать какую-либо из участвующих в ней частиц элементарной? Ясно, что ни нейтрон, ни пион не заслуживают этой чести. Нейтрон здесь как бы родился из пиона и его энергии. А в обратной реакции – столкновении протона с нейтроном – пион рождается из нейтрона. Может показаться, что протон, остающийся здесь неизменным, элементарен. Но столкновение нейтрона с положительным пионом, очень похожее на только что описанное, приводит к «рождению» протона, а «сохранится» при этом нейтрон.
Множество таких примеров заставило физиков предположить, что ни одна из частиц, подверженных сильным взаимодействиям, не является простой, а значит, их нельзя считать элементарными.
Физики предполагают, что и протон и нейтрон и другие родственные им частицы состоят из чрезвычайно малого ядра (которое для отличия от ядра атомов иногда называют немецким словом керн), окруженного облаком пионов (частиц, являющихся носителем сил, удерживающих протоны и нейтроны внутри атомных ядер). Если это положительные пионы, мы имеем протон, если они нейтральны – образуется нейтрон, если отрицательны – антипротон.
Имеются основания считать, что и другие тяжелые частицы – барионы состоят из керна и пионов, но отличаются лишь запасом внутренней энергии. Чем больше эта скрытая энергия, тем тяжелее частица.
Более того, диаметр атомного ядра оказывается очень близким к диаметру одиночного протона или нейтрона. Мы привыкли считать, что в ядре атома урана-238 содержится 92 протона и 146 нейтронов. Но можно ли действительно считать, что они там содержатся, если размеры ядра в двести раз меньше того, что получается при простом сложении? Не правильнее ли думать, что в ядре нет индивидуальных частиц и что ядро есть просто одно из состояний сильно взаимодействующей материи?
Всем ясно, что новая теория элементарных частиц должна объяснить все это, должна ответить на вопрос, почему существуют микрочастицы, почему они именно таковы, какими мы их знаем, как связаны формальные законы симметрии, выражаемые странностью или восьмиступенным путем с физической симметрией природы.
Современная теория объяснить это бессильна. – При ответе на эти вопросы мы попадаем в парадоксальное положение, – откровенно признается член-корреспондент Академии наук СССР Д.И. Блохинцев. – Дело в том, что при достигнутой сейчас точности измерений физик-экспериментатор нигде не находит противоречий с принципами теории относительности или квантовой теории. В то же время физик-теоретик имеет основание подозревать принципы современной теории в ограниченности.
Многие ученые ломают голову над построением новой теории, но никто не нашел даже надежных путей подхода к этой задаче.
Достаточно ли это безумно?
Был недавно момент, когда казалось, что наметился кое-какой просвет в этом «темном» деле. Появилось два метода, которые обещали раскрыть законы жизни элементарных частиц. Ученые называют эти методы фамильярно: «дисперсионщиной» и «реджистикой». Метод дисперсионных соотношений разработали советский математик Н.Н. Боголюбов, увлекшийся теоретической физикой и избранный директором Объединенного института ядерных исследований, и американец М. Гольдберг. Второй предложил итальянский физик Редже. Оба метода позволяют на основании экспериментальных данных о существовании частиц предсказать кое-что о характере их взаимодействия. И наоборот – располагая данными о характере взаимодействия, можно угадать участвующие в нем частицы.
Но эти методы так сложны, что ученые пока даже не пытаются полностью применять их. Они только знакомятся с ними и возлагают на них большие надежды. И подтрунивают над этим положением вещей, показывая друг другу шуточный диапозитив. На нем изображены два ученых-археолога, которые производят в пустыне раскопки. Под их лопатами виден уголок какого-то древнего сооружения. Под рисунком подпись: «Это может быть самым большим открытием века, но весь вопрос в том, как глубоко оно идет!»
Подсмеиваясь над шуткой, ученые тем не менее весьма серьезно относятся к новой возможности проникнуть в тайны микромира. Они на ускорителях проверяют экспериментальные следствия новых методов расчета, пытаются сочетать «дисперсионщину» и «реджистику» с идеями квантовой теории. Ведь именно благодаря тому, что на заре квантовой физики Поль Дирак смело столкнул в своих расчетах привычное с непривычным, сочетал теорию относительности с принципами квантовой природы вещества, он вывел теоретическую физику начала XX века из очередного тупика.
