Текст книги "Кварки, протоны, Вселенная"

Автор книги: Владилен Барашенков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 14 страниц)

Удивительная природа элементарных частиц! Но самое, наверное, удивительное, с чем мы сталкиваемся, изучая их строение, это то, что внутри частицы и качестве ее составной части может находиться точно такая же частица или даже несколько таких частиц. Например, как уже говорилось выше, протон состоит из протона и пи-мезона, который не уступает ему в размерах, пи-мезон, в свою очередь,– из трех таких же мезонов и так далее. Это напоминает одно из упражнений буддийских монахов, когда путем поста и молитв человек доводит себя до галлюцинаций. Ему кажется, что из его пупка вырастает стебель с цветком лотоса, в чашечке которого сидит Будда, из пупка которого растет еще один цветок с Буддой, и так далее – живая цепь, уходящая в бесконечность.

Привычные для нас представления о простом и сложном, о целом и части в мире частиц часто оказываются неприменимыми. Мы привыкли к тому, что целое всегда сложнее и больше любой своей части. В микромире же часть может быть не менее сложной и более массивной, чем целое. В атоме, к примеру, энергия почти целиком сконцентрирована в его ядре и в орбитальных электронах. Энергия связи их составных частей невелика, и их взаимодействие практически не сказывается на их свойствах. Здесь применимы наши обычные представления о соотношении целого и части. Ядро атома – уже значительно более плотная система, однако и здесь на энергию связи протонов и нейтронов приходится не более одного процента полной энергии, и наши представления о целом и части остаются незыблемыми: ядро, как из кирпичиков, сложено из нуклонов, и их размеры меньше ядра. Пока все в порядке.

Но вот в самом протоне уже все смешалось. Энергия связи его частей настолько велика, что внутри образуемого ими целого они теряют индивидуальность. Утверждение о том, что частица состоит из других частиц, теперь приобретает уже весьма условный характер. Идея чисто механической делимости вещества больше не применима.

Нуклон еще как-то можно представить себе наглядно, но чтобы представить себе мезон, надо вообразить что-то вроде трех проникающих друг в друга пульсирующих пузырей с уплотнениями в центрах. К этому надо добавить еще несколько тяжелых бусинок, изображающих нуклоны и антинуклоны внутри пузырей. Даже не бусинок, а тоже пузырей с размерами, как у самого мезона. Полная путаница и каша! Но ничего не поделаешь: объекты микромира с их противоречивой сущностью нельзя изобразить одной картинкой: они чересчур сложны для этого. Физики представляют себе их с помощью моделей. Это как бы проекции под разными углами. Каждая из них выделяет одно или несколько свойств частицы, оставляя другие в стороне. Иначе ничего не получается.

Наглядное представление о мезоне и нуклоне – это набор многих отдельных картинок, которые отчасти даже противоречат друг другу. Ну а насколько согласованной и полной получается при этом общая картина, это уже зависит от знаний, опыта, воображения и таланта того, кто создает картину. Как бы то ни было, ясно, что современную физику нельзя просто выучить, к ней надо еще и привыкнуть.

Итак, поскольку все частицы взаимодействуют между собой, каждая из них образует вокруг себя облако, состоящее из частиц всех сортов, легких – на периферии, тяжелых – в глубине. Можно сказать, что элементарная частица состоит сразу из всех элементарных частиц, в том числе и из подобных себе. Своеобразная «ядерная демократия»! Иногда это называют еще принципом шнуровки: всякая частица распадается на несколько других, те распадаются, в свою очередь, и так далее. Получается единая крепко сплетенная сеть, где нет ни начала, ни конца и все частицы одновременно являются и элементарными и сложными.

На современных ускорителях – этих локаторах микромира – удается прощупать лишь внешние, периферические слои частиц. О том, что находится глубже, можно лишь строить догадки. Подобно тому как близорукий человек не замечает без очков мелких подробностей, так и нынешний ускоритель не способен разглядеть, что творится глубоко в недрах частицы. Для этого нужны машины со значительно большей энергией.

Но почему же тогда протон, мезон и другие частицы называют элементарными? Ведь они устроены так сложно. Неужели в мире нет ничего более простого, действительно элементарного.

Характерная особенность частиц, которые относят к разряду элементарных, состоит в том, что в любых известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга – взаимопревращаются. Как в волшебной сказке, где заколдованный лев вдруг превращается в маленького мышонка, тот – в кошку, а кошка еще в кого-нибудь. Сталкиваясь, частицы, подобно льву или мышонку, изменяют свою форму, и никаких более простых «кусков» от них не отцепляется. В то же время из них, как из кирпичиков, можно построить весь окружающий мир.

Частицы называют элементарными по традиции, но физики отдают себе отчет в том, что каждый такой «элемент» – сложная материальная система.

И все же недавно физики нащупали еще один этаж в строении вещества – нашли частицы, которые по сравнению со всеми открытыми раньше можно считать сверхэлементарными. Это кварки и антикварки – микрообъекты, которые находятся внутри элементарных частиц и которые пока никак не удается выделить в свободном виде. Тем не менее в их существовании уверены сегодня все физики.

Полагают, что кварк и антикварк имеют по нескольку состояний (вспомним аналогию с многогранником, разные стороны которого обладают различными свойствами). Сложение трех кварков в различных состояниях дает нуклон и гипероны – тяжелые, чем-то напоминающие нуклон частицы с очень коротким временем жизни. Сложение кварка и антикварка дает мезоны различных типов. В общем, из кварков и антикварков, как из блоков, можно «составить» нуклоны, мезоны и все остальные частицы.

Как самостоятельные частицы кварки и антикварки существуют где-то глубоко внутри элементарных частиц. На их периферии кварки могут находиться лишь в форме связанных сгустков, например в виде пи-мезонов. И вот что удивительно: «кварковый конструктор», или, как говорят физики, «кварковый счет», объясняет большое число экспериментальных фактов, с его помощью открыты новые типы элементарных частиц, и в то же время все попытки обнаружить свободные кварки в эксперименте терпят неудачу.

И еще более удивительный факт. Хотя кварка никто никогда не видел, тем не менее есть способ его «пощупать» и при этом не только определить заряд, магнитный момент и другие характеристики этой таинственной частицы, но даже оценить ее размеры. Кварк еще не открыт, но ощутить его уже можно!

Скептик может сказать, что рассуждать о свойствах частицы, которую никто не видел,– это все равно, что делить шкуру неубитого медведя. Но не будем торопиться. Вспомним про электрон, размеры которого очень малы, благодаря ему с его помощью можно исследовать самые мелкие детали глубоко внутри протона. Если бы протон представлял собой единую, монолитную систему, то вели-чина импульса столкнувшегося с ним и отскочившего в обратном направлении электрона давала бы нам сведения о скорости протона как целого. Но что получится, если протон состоит из отдельных частиц? Совсем другая картина: каждый раз электрон будет отскакивать от какой-то одной из них. И по характеру этих отскоков мы как раз и могли бы судить о распределении входящих в состав нуклона частиц, об их скоростях и других свойствах.

Похоже на радиолокацию, не правда ли? При слежении за летящим самолетом отраженный луч дает оператору сведения о его размерах и скорости, точь-в-точь как в опытах с рассеянием электронов на монолитном нуклоне! На экране локатора видна яркая светящаяся точка. Если же самолет будет поражен ракетой и разлетится на осколки, каждый из них отразит свой луч, к оператору придет целый набор лучей, и он увидит на экране размазанное световое пятно. Если же осколки разлетятся далеко друг от друга, на экране возникнет группа светящихся точек.

Так вот, электроны отскакивают от протона так, будто это целый рой отдельных частичек. Такой же результат дают опыты с рассеянием нейтрино на протонах и нейтронах. Анализ экспериментов показывает, что размеры частиц, рассеивающих электроны и нейтрино, по крайней мере раз в 10 меньше радиуса протона и что их свойства в точности совпадают с тем, что предсказывает теория кварков.

Тут сразу же, конечно, возникает вопрос, почему же тогда не удается обнаружить свободные кварки, не связанные в пары и тройки. Может, опыты недостаточно точны?

Нет, дело не в этом. Опыты повторялись много раз и в разных лабораториях. И все они были выполнены с высокой точностью. И тем не менее всякий раз результат был отрицателен: кварк оставался неуловимым! Создается впечатление, что мы видим туманные контуры чего-то совершенно непохожего на все, с чем мы до сих пор имели дело, и любая попытка описать это «нечто» на языке привычных представлений сразу же приводит к противоречиям. Американский физик Алекс Пановский, который первым обнаружил зернистое строение протонов, как-то заметил: природа, видимо, старается показать нам что-то очень простое, чего, однако, никто не видит...

В начале нашего века, анализируя философские, проблемы, которые выдвинуло развитие физики, В. И. Ленин высказал знаменитую мысль о неисчерпаемости электрона. Развитие науки подтвердило этот вывод, причем и философам, и физикам стало ясно, что под неисчерпаемостью следует понимать не только чисто механическую делимость, когда каждая часть состоит из еще более мелких частей. «Более глубокое» – это не всегда «меньше по размеру». На каждой ступени лестницы, ведущей в недра материи, мы находим множество новых свойств и новых физических объектов. Для их объяснения нам приходится спускаться на следующую ступень, и этот процесс углубления может быть бесконечным. Может, однако, случиться и так, что, изучая микромир, мы будем встречаться со все большей и большей энергией, и круг, так сказать, замкнется: в микромире мы снова встретимся с объектами и явлениями макроскопического порядка. Вот что такое истинная неисчерпаемость, понимаемая широко и в философском, и в физическом смысле.

Скорее всего, дело именно так и обстоит. Как подсказывает нам теория относительности, пространственно-временные масштабы микромира могут «переворачиваться», подобно песочным часам, и то, что было очень большим, может стать очень малым, а что было очень малым, наоборот, очень большим. Не будет чрезмерным преувеличением сказать, что в недрах элементарных частиц природа спрятала еще одни ворота в космос. Может быть, даже главные!

Это очень сложный вопрос. Мы вернемся к нему после того, как подробнее познакомимся с другими необычными свойствами микроявлений и разберемся в причинах неуловимости кварков.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ.

В ней говорится о том, что находится за порогом неизвестного: об универсальном конструкторе, об анатомии кварка, о таинственных хиггсонах и других вещах, которые обсуждают теоретики, но никогда еще не видели экспериментаторы

По преданию, великий древнегреческий ученый Архимед открыл свой знаменитый закон, купаясь в ванне. Погруженное в жидкость тело теряет в своем весе ровно столько, сколько весит вытесненная им жидкость. Сегодня об этом знает каждый школьник. Так вот, при взаимодействии частиц происходит нечто похожее. Частицы оказываются погруженными в силовое поле, в своеобразную силовую ванну, и их массы уменьшаются – частицы становятся легче. Излишняя масса в виде излучения выплескивается в окружающее пространство. То же самое происходит при слиянии атомных ядер – здесь «брызги энергии» разлетаются во все стороны в виде быстро движущихся частиц и электромагнитных волн.

Выделение энергии в процессах слияния может быть огромным, как это происходит, например, при взрыве водородной бомбы, когда из каждых двух ядер тяжелого водорода, содержащегося внутри бомбы, образуется ядро гелия. Чем больше высвобождается энергии, тем более плотной и крепко связанной оказывается составная система – ядро или частица и тем труднее расщепить ее на части. Интенсивное силовое поле внутри такой системы напоминает густой сироп, в котором плавают ягодки-частицы.

Но вот что сейчас нам важно усвоить: масса поля, связывающего протон и нейтроны в ядро тяжелого водорода, в тысячи раз меньше их собственной массы. Поэтому, объединяясь в ядро, эти частицы не теряют своей индивидуальности – остаются сами собой. А вот внутри самого протона и нейтрона связи настолько сильны, что кварки, мезоны и другие частицы, из которых слеплен нуклон, почти полностью, если можно так выразиться, растворены в энергии их взаимодействия. Внутри элементарной частицы на связь ее частей уходит значительная доля общей энергии и массы. Это как раз и отличает элементарную частицу от тех частиц, которые мы называем составными, хотя и те и другие имеют сложную внутреннюю структуру.

Энергию связи вычислить нетрудно. Она равна разности массы частицы и суммы масс частиц – ее компонентов. Зная эту энергию, мы сразу можем сказать, элементарная перед нами частица или же составная, сложная.

Плохо только, что элементарных частиц набирается слишком уж много – несколько сотен, список их продолжает расти, и конца ему пока не видно. А если верить теории, то при слиянии любой пары частиц должна образоваться новая частица, поэтому число элементарных частиц вообще может оказаться бесконечным. Расчеты показывают, что, например, частиц, которые в 2—3 раза тяжелее протона, должно быть сотни тысяч, а частиц с массой в 5 раз тяжелее протона – сотни миллионов!

Трудно, по правде говоря, согласиться с тем, что природе понадобилось такое огромное количество простейших «строительных деталей». Весь наш предшествующий опыт свидетельствует о том, что природа всегда экономна в своих средствах. Но, с другой стороны, какое природе дело до нашего опыта и наших привычек?

В целом вся эта картина напоминает атомистику Демокрита и его последователей с бесконечным числом первичных элементов. Выходит, мы не так уж и далеко ушли от древних. С этим тоже не хочется соглашаться. Невольно напрашивается мысль о каком-то более глубоком уровне «суперэлементарных» частиц, будь то кварки, о которых говорилось выше, или еще что-то. Тем более что нечто подобное в истории науки уже было – с атомами химических элементов. Их ведь тоже немало, а когда-то все они тоже считались элементарными – равноправными и неделимыми.

Когда имеешь дело с выступающим из берегов океаном элементарных частиц, первое, что хочется сделать,– это попытаться все-таки выделить какие-то «наиболее элементарные» частицы, из которых можно составить все остальные. Таких попыток было много. Однако из них пока ничего не вышло: все частицы оказались в равной степени «элементарны», и любую из них можно включить в группу основных, из которых строятся все остальные.

И все-таки многолетние усилия физиков не пропали даром. Было установлено, что частицы можно разбить на группы – мультиплеты, и члены каждого из них можно рассматривать как различные состояния одной и той же частицы. Были найдены мультиплеты, состоящие из восьми и десяти частиц, – так называемые октеты и декуплеты. Известны мультиплеты, содержащие всего лишь по одной частице; их называют синглетами.

Мультиплеты объединяются в более сложные семейства – супермультиплеты. Уже неплохо изучены супермультиплеты, состоящие из 35 и 56 частиц. И самое главное, выяснилось, что мультиплеты и супермультиплеты не изолированы друг от друга, они связаны определенными соотношениями – правилами симметрии.

Получается нечто вроде периодической системы частиц, похожей на ту, благодаря которой Менделеев навел порядок среди химических элементов. И подобно тому как менделеевская система помогла открыть не известные ранее элементы, симметрия мультиплетов тоже предсказывает существование новых элементарных частиц, в том числе и кварков.

Все мы помним, что менделеевская таблица начинается с простейшего химического элемента – водорода, ядро которого состоит из одного протона. В той же клетке таблицы помещается собрат водорода – дейтерий с ядром из двух «слипшихся» частиц – протона и нейтрона. Эти два внутриядерных «кирпичика», образующие двухчастный мультиплет нуклон, и лежат в основе всей таблицы. «Периодическую таблицу» элементарных частиц возглавляет мультиплет, состоящий из трех кварков. Их можно считать «самыми элементарными», потому что из них можно построить все другие частицы – иногда простым «сложением», как атомные ядра из протонов и нейтронов, а иногда как возбужденные состояния уже построенных частиц.

Теперь самое время сделать важную оговорку. Кварки все же не универсальный «строительный материал». Из них нельзя «слепить» все без исключения элементарные частицы, а только сильновзаимодействующие. Кроме этих частиц, есть еще такие; интенсивность взаимодействия которых, а точнее сказать – его вероятность, намного меньше. По крайней мере в тысячу раз. Это известный нам электрон и три мезона, которые обозначают греческими буквами «мю», «тау» и «эпсилон». Впрочем, правильнее

было бы назвать их не мезонами, а тяжелыми электронами, так как они обладают такими же свойствами, что и электрон, только весят больше и в отличие от электрона они радиоактивны, то есть подвержены распаду.

Физикам до сих пор неясно, зачем природе потребовалось несколько различающихся по массе «изданий» электрона.

К этим частицам следует добавить еще и нейтрино, которое можно считать электроном, потерявшим заряд и массу, так сказать, «выродившимся» электроном. В газетах и даже научных журналах, правда, сообщалось, что в точных экспериментах у нейтрино обнаружена маленькая масса, однако контрольные опыты этого пока не подтвердили (хотя и не опровергли). Работать с этой частицей необычайно трудно, так как она удивительно слабо взаимодействует с веществом. В этом отношении нейтрино рекордсмен. Поток нейтрино, почти не ослабевая, проходит не только сквозь Землю, но и сквозь гигантское по сравнению с нею Солнце.

Так вот, нейтрино и другие слабовзаимодействующие электроноподобные частицы нельзя построить из кварков. Они составляют совершенно особое, изолированное семейство. Это частицы-точки, их размеры по крайней мере в тысячу раз меньше, чем у сильновзаимодействующих частиц. Физики называют их лептонами, а все сильновзаимодействующие частицы – адронами.

Названия эти происходят от греческих слов «легкий» и «тяжелый». Они возникли, когда физики еще не знали частиц тау и эпсилон. Электрон и мю-мезон, не говоря уже о нейтрино, действительно легче всех сильновзаимодействующих частиц. Но как можно назвать легким недавно открытый эпсилон-мезон, который весит столько же, сколько ядро бора,– в десять раз больше протона! Названия «лептон» и «адрон» сделались уже чисто условными, фактически синонимами эпитетов «слабо-» и «сильновзаимодействующий». Но такова уж сила привычки – физикам трудно отказаться от прочно вошедших в язык терминов.

Итак, все окружающее нас вещество можно скомпоновать всего из трех «кирпичей»: электрона, кварка и антикварка. Кроме того, требуются еще три безмассовые частицы: глюон, фотон и гравитон, то есть кванты склеивающих полей – межкваркового, электромагнитного и гравитационного (поля тяготения). Кварк и антикварк нужны, чтобы с помощью глюонного «клея» слепить протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра, и связывающие их пи-мезоны; электроны – чтобы с помощью электромагнитных сил построить атомы и молекулы. Эти же силы объединяют различные вещества в жидкости и твердые тела. Гравитация же нужна для образования космических объектов – планет, звезд, галактик и самой Вселенной.

Рассуждая таким образом, мы чувствуем, что все остальные частицы просто лишние. А их сотни – мезоны различных типов, гипероны и так далее. Да и в самом деле, зачем они, если без них можно обойтись?

Однажды мой сосед, бухгалтер, стал налаживать свой телевизор. Экран вскоре засветился, а сосед с гордостью продемонстрировал мне кучку ненужных, по его словам, сопротивлений и конденсаторов. Правда, через несколько минут что-то заискрило, запахло горелым, а механик из радиомастерской потом удивлялся, как у нас вообще квартира не сгорела.

То же с частицами. У природы нет лишних деталей. Если назначение некоторых из них остается неясным, это свидетельствует лишь о низком уровне наших знаний, а отнюдь не о склонности природы к излишествам. И серьезные исследования обычно это подтверждают.

С тех пор как теоретики выдумали кварки, прошло 20 лет. И хотя эти удивительные частицы еще никому не удалось наблюдать в «живом виде», они помогли объяснить так много экспериментальных данных, что физику сейчас просто невозможно обойтись без них. По мнению большинства ученых, если кварков как реальных объектов и не существует в природе, то это само по себе было бы поразительной, величайшей загадкой.

Знаменитый французский математик Анри Пуанкаре как-то заметил, что всякой истине суждено одно мгновение торжества между бесконечностью, когда ее считают неверной, и бесконечностью, когда она становится тривиальной. И хотя к кваркам успели уже привыкнуть, до тривиальности здесь еще далеко. Кварки во многом еще таинственны, не похожи ни на что. Взять хотя бы их электрический заряд: ведь если протон, заряд которого равен единице, состоит из трех кварков, значит, у этих кварков заряды дробные? А до сих пор считалось непреложным законом – и об этом написано во всех учебниках,– что самый маленький электрический заряд у протона и электрона и равен он не дроби, а целому числу. Принимался он всегда за единицу – положительную и отрицательную. И вот теперь выясняется, что заряды у кварков еще меньше: они составляют одну и две трети заряда протона.

В древнегреческих мифах рассказывается о кентаврах– полулюдях-полулошадях. Таким вот кентавром среди элементарных частиц и выглядит кварк. У него не только дробный электрический заряд – он еще по своим свойствам должен одновременно считаться нуклоном, мезоном и гипероном! Всем сразу. С таким необычным, противоречивым объектом физики еще не встречались. Чтобы описать его сложные свойства, сначала предположили, что он имеет три состояния. Вскоре, однако, были открыты новые типы элементарных частиц – так называемые прелестные и очарованные частицы,– пришлось ввести в обиход еще два кирпичика-кварка. Теоретики убеждены, что должен существовать еще и шестой кварк. Недавно получены экспериментальные доказательства этой гипотезы. Может быть, список кварковых состояний этим не исчерпывается.

Хороша «самая простая», «суперэлементарная» частица, не правда ли? Целое семейство из шести братьев-компонентов, а то и больше!

Но и этого мало. Когда мы строим частицы из кварков, нельзя размещать их внутри частиц произвольно. Для них, как для зрителей в театре, отведены вполне определенные, строго пронумерованные «квантовые места». И вот выяснилось, что внутри некоторых частиц билет с одним и тем же номером получают сразу несколько кварков. Чтобы восстановить порядок, физикам пришлось допустить, что кресел в зале вполне достаточно, но они различаются не только своими номерами, а и цветом: под одним и тем же номером значатся кресла трех цветов – синие, красные и зеленые. Соответственно и билеты пришлось покрасить в три цвета, то есть допустить, что каждое из шести состояний кварка делится еще на три. Так возникла выдвинутая советскими и японскими физиками гипотеза о цветных кварках.

Конечно, никакого цвета в обычном понимании этого слова у кварков нет. Ведь цвет – это свойство тела, зависящее от того, какую часть спектра падающего на него света тело поглощает, а какую рассеивает.

Кварк только рассеивает свет, поглощать его он не может, так как для этого он должен был бы быть не простейшим кирпичиком, а системой со сложной структурой (с электронными уровнями), на возбуждение которой и пошла бы энергия поглощенного света. «Цвет кварка» – это только удобный термин, такой же, как «странность», «очарование» или «прелесть», которыми физики обозначают определенные свойства частиц. В последнее время стало общепринятым говорить еще и об «аромате» кварка – так называют все его параметры, не зависящие от «цвета». Физики предпочитают пользоваться необычными названиями – они легко запоминаются! Хотя, спору нет, выражения вроде «аромат прелестного кварка» или «опыт по измерению очарования» звучат для непривычного уха более чем странно.

Давайте подсчитаем теперь, сколько же осталось самых элементарных», не сводимых друг к другу частиц.

Прежде всего это кварк и антикварк плюс связывающая их частица глюон. Ее название происходит от английского слова glue – клей. Глюонное поле связывает кварки и антикварки, подобно тому, как электромагнитное поле и его кванты – фотоны – «привязывают» электроны к ядру в атоме. Хотя глюоны тоже еще никогда не наблюдались в «живом виде», без них нельзя построить адронов. В список «самых элементарных» придется также включить упомянутый фотон и опять же не наблюдавшуюся еще частицу поля тяготения – гравитон. Еще семь лептонов – электрон, нейтрино трех типов, мю– и тау-мезоны и соответствующие антилептоны.

Итак, вместо нескольких сотен – всего лишь два десятка основных элементов. При этом почти треть их еще экспериментально не открыта. Однако без них не удается построить последовательной теории – она рассыпается. Но, с другой стороны, и два десятка, а точнее 19 «самых элементарных»,– это многовато. И почему, собственно, 19, а не 14 или, скажем, не 27? Невольно возникает подозрение, что эти «первоэлементы» не все независимы и число их, наверное, можно еще уменьшить.

Правда, на первый взгляд это просто невозможно – уж очень сильно различаются по своим свойствам эти девятнадцать. Например, электрон – это частица, которая может иметь любую скорость, быть и быстрой, и медленной, а вот фотон или нейтрино всегда летят с скоростью света. Массы частиц и силы, с которыми он взаимодействуют, различаются в сотни и тысячи раз; Казалось бы, ничего общего.

И тем не менее некоторые из этих частиц могут оказаться родными братьями и сестрами. Хотя это пока – чистая теория, как шутят физики,– из области фантастики и, может быть, даже не совсем научной.

Несколько лет назад известный пакистанский физик Абдус Салам (он возглавляет Международный институт Теоретической физики в Триесте), и английский физик Джордж Пати выдвинули смелую гипотезу о том, что лептоны – не самостоятельные частицы, а всего лишь четвертое цветное состояние кварка. Их не смутило, что свойства частиц, объединенных ими в кварк, различаются столь сильно. Они полагали, что это всего-навсего результат влияния окружающего фона. Ведь согласно современным представлениям каждая частица играет роль как бы затравочного центра, вокруг которого образуется облако спонтанно рождающихся и быстро исчезающих частиц. Это облако экранирует частицу изменяет ее свойства. Такие заэкранированные, закутанные в облако частицы с измененными или, как говорят эффективными свойствами, мы всегда и наблюдаем в опытах. Невозможно ведь изолировать частицу от взаимодействия со средой, даже если это глубокий вакуум. Ничто на свете не существует само по себе, и «голый» квант в том числе.

Теперь мы подходим к самому трудному. Мы видим, что каждая микрочастица – это сложная корпускулярно-волновая структура. Ее плотность и состав зависят от заряда и других характеристик. Поэтому у одного состояния частицы одна масса, у другого – другая. Возникает разница и в силе взаимодействия. Состояния частицы «расщепляются» по массе и взаимодействию. Одни состояния становятся очень легкими, другие – тяжелыми, и исходное взаимодействие «голой» (абстракция!) частицы распадается на три – на слабое, электромагнитное и сильное.

Можно сказать, что в своих различных состояниях квант универсального «склеивающего» поля носит «шубы» различного покроя. В одних случаях «шуба» очень тяжелая, и тогда облачившийся в нее квант переносит взаимодействие лишь на ультрамалые расстояния. Далеко от центра частицы такие кванты почти не встречаются, и связанное с ними взаимодействие проявляется там очень слабо. В других случаях кванты набрасывают па себя легкую «шубу», и тогда они способны участвовать во взаимодействии на больших расстояниях.

Влияние фона спонтанно рождающихся частиц может быть настолько сильным, что на энергию связи и различные компенсирующие эффекты уходит целиком вся масса «голого» кванта. Надев «шубу», он становится «бестелесной» частицей с нулевой массой. Так возникает фотон и связанные с ним дальнодействующие электромагнитные силы.

Как не вспомнить здесь Корнея Чуковского, у которого «волки от испуга скушали друг друга», или известную шутку о том, как змея сама себя проглотила!

Почему так происходит – это сложный вопрос. Даже для специалистов-теоретиков здесь еще не все ясно. Можно только сказать, что в теории Салама и Пати для этого требуется, чтобы экранирующие облака кварков содержали шесть частиц, каждая из которых, в свою очередь, окутана облаком виртуальных частиц, состоящих из тех же частиц и... пар кварков и антикварков.

И опять, только на более глубоком «ультраэлементарном» уровне, мы приходим к самосогласованной, «зашнурованной» системе частиц, когда любая из них содержит в себе все сорта частиц, в том числе и себя самое. Складывается впечатление, что в этом проявляется какая-то общая закономерность, свойственная микромиру.

Что касается шести частиц, из которых сшита «шуба» кварка, то три из них – многокомпонентные глюоны. Из них «склеен» и фотон. В теории Салама и Пати фотон – не самостоятельная частица, а сложное «наложение», суперпозиция нескольких нейтральных состояний глюонов. Весьма неожиданный вывод! Три другие частицы в «шубе» кварка называются хиггсонами – по имени английского физика Хиггса, который первым начал разрабатывать теорию таких частиц. Это уж совсем необычные объекты даже для притерпевшихся ко всему теоретиков. От хиггсонов зависят свойства вакуума.

Оказывается, и вакуум, то есть, по нашим традиционным представлениям, ничто, пустота, может пребывать и различных состояниях, подобно тому как, скажем, углерод может быть в состоянии графита или в состоянии алмаза. Но как же это, ведь вакуум – это «чистое пространство»? Обстоятельный ответ на этот вопрос увел бы нас далеко в квантовую теорию поля – один из самых сложных разделов современной физики. Сейчас нам важно просто знать, что между состояниями вакуума нет переходов; во всяком случае, мы не знаем, как они выглядят, но знаем, что любое из этих состояний может служить основой Вселенной. А то или иное состояние вакуума как раз и определяют поля частиц Хиггса.