Текст книги "Кварки, протоны, Вселенная"
Автор книги: Владилен Барашенков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 14 страниц)
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
в которой объясняется, почему мы не видим кварков, рассказывается о кварковых мешках, глюонных струнах и о новой науке – квантовой хромодинамике
Один из моих знакомых журналистов, попав на семинар физиков-теоретиков, с удивлением слушал, как его участники вполне серьезно говорили о кварковом супе, глюонном клее и об эластичных мешках-авоськах, на полненных кварками. «Странное дело,– говорил он потом.– Они обращаются с кварками и глюонами так, будто это горох или картошка! Откуда такая уверенность, ведь эти частицы еще никто никогда не видел!»
Кварки вошли в физику подобно троянскому коню. Придумали их два американских теоретика, Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг, для того, чтобы сделать более симметричной составленную ими таблицу элементарных частиц. Название для новых частиц было взят из романа ирландского писателя Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Мало кто поначалу верил в реальность кварков. Уж очень необычными были их свойства. Большинство ученых считали их всего лишь неким теоретическим курьезом, временными строительными лесами на пути к более совершенной теории. Однако не успели физики оглянуться, как кварки проникли буквально всюду. Неожиданно для всех оказалось, что с их помощью очень просто и наглядно объясняются самые различные экспериментальные факты и сильно упрощаются теоретические вычисления. Без кварков теперь просто невозможно обойтись – так же, как, например, в химии нельзя обойтись без атомов и молекул. И конечно, самое поразительное то, что реальных кварков действительно еще никто не видел, хотя с тех пор как их изобрели, прошло уже два десятка лет. Подобно подпоручику Киже из рассказа Юрия Тынянова, кварки «присутствуют, но фигуры не имеют».
Так в чем же здесь дело? Еще не поставлен нужный опыт? Или, может быть, элементарную частицу просто нельзя разделить на кварки, как, например, нельзя разделить магнит на два несвязанных магнитных заряда – северный и южный? В детстве, наверное, каждый из нас не однажды проделывал такой опыт и убеждался, что все равно получаются два магнита и каждый с двумя полюсами.
Как и всякая заряженная частица, проходящая сквозь вещество, кварк взаимодействует с атомарными электронами. Их орбиты в удаленных атомах искажаются, а те электроны, которые находятся вблизи траектории кварка, срываются его электрическим полем, и атомы превращаются в заряженные ионы. Чем больше заряд частицы, тем большим числом поврежденных атомов усеян ее путь в веществе. Это свойство и используется в большинстве опытов по поиску кварков: ведь их электрические заряды отличаются от зарядов всех других частиц. Если заряд электрона принять за единицу, то заряд кварка, как мы уже говорили, будет дробным: у одного он скажется равным двум третям, у двух других – одной трети. Дробные заряды имеют также «прелестный» и «очарованный» члены кваркового мультиплета. Сравнивая плотность цепочки образовавшихся ионов с ионными следами известных частиц, можно определить заряд пролетевшей сквозь вещество частицы. Правда, плотность ионного следа зависит и от других параметров частицы – от ее массы и скорости, но их влияние можно учесть, вводя необходимые поправки. Прохождение заряженных частиц сквозь вещество хорошо изучено, и поправки вносятся с высокой точностью.
В отличие от нейтральных атомов ионы очень активны. Они служат центрами конденсации в среде, состоящей из пересыщенного пара, затравочными неоднородностями, вокруг которых мгновенно образуются пузырьки газа в перегретой, готовой закипеть жидкости. И в химическом отношении ионы активнее атомов: поэтому если облученное вещество обработать соответствующим составом-проявителем, траектории частиц станут видимыми и тем отчетливее, чем больше их электрический заряд.
В помещениях с повышенной радиоактивностью частицы оставляют свои «автографы» на фотопленке: метод фотоэмульсий – тщательно отработанный и хорошо себя зарекомендовавший метод наблюдения за невидимыми частицами. Дополнительные возможности наблюдать за ними дает магнитное поле. Оно изгибает траектории проходящих сквозь вещество заряженных частиц. Величина изгиба зависит от абсолютного значения заряда частицы, а его направление (влево она изгибается или вправо) – от знака заряда.
Словом, в распоряжении физиков немало способов сделать следы заряженных невидимок видимыми. Hо годятся ли они для поиска кварков? За последние 20 лет в разных странах проведено огромное количество опытов по поиску кварков. Частицы с дробными зарядами искали среди мезонов, рождающихся при аннигиляции протонов с антипротонами, в струях вторичных частиц, образуемых в мишенях высокоэнергетическими протонами, во многих других реакциях. Искали в космических лучах и на ускорителях. И конечно, использовали все методы регистрации, какие только изобретены. Но все безрезультатно.
В то же время, как уже было сказано, опыты по «просвечиванию» протонов и нейтронов пучками лептонов (электронов и нейтрино) определенно говорят за то, что эти частицы содержат внутри себя «зерна» с дробными электрическими зарядами и другими свойствами, какие должны быть у кварков. Парадокс!
Может, дело в том, что силы, связывающие кварки и антикварки в элементарных частицах, так велики, что энергии современных ускорителей просто не хватает чтобы их разорвать? Оттого никто и не может увидеть свободных кварков? Предположим, что кварк – тяжелая, массивная частица, но только в свободном, изолированном состоянии, когда он находится вдали от других кварков. При сближении между кварками возникает сильное поле взаимодействия, взаимное притяжение которого нейтрализует, «гасит» большую часть их массы (с ними происходит то же, что и по закону Архимеда с телом, погруженным в ванну, только здесь они погружены в «полевую ванну»). Выбить кварк из «полевой ванны» можно, лишь выстрелив в него очень быстрой частицей, обладающей большой кинетической энергией. Поэтому, если кварки – частицы очень тяжелые, в современных ускорителях их «выковырять» невозможно.
Конечно, есть еще космические лучи, где встречаются частицы, чья энергия в тысячи и даже в миллионы раз превосходит ту, что можно получить в самых мощных ускорителях. Энергии сверхвысокоэнергетических частиц из космоса достаточно, чтобы расколоть самый твердый кварковый «орешек», но таких частиц мало, и опыты с ними не точны. Поэтому, может быть, и не были замечены те редкие случаи, когда космические частицы раскалывали нуклонные «орешки» на кварки. Таким образом, если кварки действительно очень тяжелые частицы, обнаружить их в реакциях расщепления будет неимоверно трудно, почти безнадежно. А строить ради этого фантастически мощные ускорители – дело очень сложное и дорогое.
Можно, однако, совершить обходной маневр и решить задачу иным способом.
Космические частицы сверхвысокой энергии очень редки, зато они падают на нашу планету уже несколько миллиардов лет, и за это время они могли образовать очень много кварков и антикварков. А однажды образовавшись, кварк и. антикварк уже не в состоянии исчезнуть – им некуда спрятать свой дробный заряд. Если кварк (или антикварк – все равно) распадется, то среди его осколков непременно окажутся частицы с дробным зарядом. Ведь электрический заряд сохраняется, и если вначале он был дробным, то и сумма зарядов продуктов распада будет тем же дробным числом. Если кварк будет поглощен какой-либо другой частицей, допустим, одним из нуклонов, то образуется новый объект, но опять-таки с дробным зарядом. От дроби никуда не денешься!
Рожденные космическими лучами кварки и антикварки должны постепенно накапливаться в веществе Земли, Луны и внутри блуждающих в космическом пространстве и изредка падающих на Землю метеоритов.
Конечно, блуждая по свету, кварк рискует столкнуться с антикварком, обладателем противоположного заряда, и тогда может произойти их аннигиляция – превращение в обычные частицы с целочисленными зарядами (если только суммарный заряд в конце и вначале будет равен нулю). Но мы уже знаем, что если кварки и содержатся в окружающем нас веществе, их концентрация там настолько мала, что вероятность встречи кварка с антикварком ничтожна,
Есть еще одна причина, почему окружающее нас вещество может содержать кварки. Это могло случиться на ранней стадии жизни нашей Вселенной, вскоре после Большого взрыва, когда Вселенная была еще сверхплотной, сверхгорячей и из «протовещества» рождались; и «выпадали в осадок» разные частицы, в том числе и кварки.
Тут неискушенный читатель может спросить: о какой ранней стадии жизни Вселенной идет речь, о каком таком Большом взрыве? Автор уже упоминал об этом, а теперь вот говорит снова. Столько лет нас учили, что у Вселенной не было начала и не будет конца, а тут – «ранняя стадия жизни». Может быть, у нее будет и, «поздняя стадия», то есть конец? Просим автора объясниться и рассказать об этих вещах подробнее.
Замечу сразу, что подробных рассказов было уже, немало. Сошлюсь прежде всего на вышедшую недавно в 1986 г., в московском отделении издательства «Наука» популярную книгу «Прошлое и будущее Вселенной», в которой собраны статьи на эту тему, написанные видными специалистами и печатавшиеся в журнале «Природа» в 1979—1985 гг. Сошлюсь и на собственную недавнюю статью «Штрихи раздувающегося мира», которую читатель найдет в № 10 журнала «Наука и религия» за 1986 г. (В том же журнале печатались в свое время обстоятельные обзоры И. Григорьева «После Большого взрыва» (1981, № 2) и «Нейтринная Вселенная» (1982, № 9).)
Тем не менее недоумение читателя должно быть рассеяно немедленно. Поэтому, отсылая его к соответствующей литературе, я, пусть в общих чертах, обрисую положение дел и на этих страницах. Да, представление о том, что у Вселенной нет ни начала, ни конца, очень долго было общепринятым. Однако постепенно накапливались научные данные, которые свидетельствовали о том, что когда-то, много миллиардов лет назад, вся Вселенная была сконцентрирована в очень небольшом, буквально точечном объеме. Представить себе плотность этого сгустка, конечно, трудно. Свойства пространства, времени и вещества тогда были совсем не такими, как теперь. В силу каких-то причин, каких – пока физики еще не разгадали, произошел грандиозной силы взрыв, и Вселенная стала «распухать» – расширяться со скоростью света во все стороны. Это расширение продолжается и по сей день.
Но рождение Вселенной из точечного объема противоречит философскому тезису о том, что материя не может родиться из ничего, так же как, скажем, исчезнуть без следа, возразят мне. Вот в Философском энциклопедическом словаре прямо сказано, что «существование мира вечно», а вечность – это «бесконечность времени существования материального мира, обусловленная несотворимостью и неуничтожимостью материи». А вы говорите о каком-то начале!
Никакого противоречия нет, и Философский словарь абсолютно прав (рекомендуем, кстати, познакомиться в нем со статьей «Космология»). Просто материя и связанные с нею пространство и время в процессе своего развития переходят из одной формы в другую. Сегодня нам еще не известны свойства протовещества, или, если угодно, той формы материи, которая предшествовала первичному взрыву, и мы можем лишь гадать, какими были тогда пространство и время. Но разве мы утверждаем, что до взрыва «ничего не было»? Просто мы не знаем, что именно было: не так-то просто заглянуть на 20 миллиардов лет назад. И космология, которая исследует сейчас эту проблему, не вступает ни в малейшее противоречие с материалистической философией, а напротив, подтверждает один из ее основных тезисов о том, что в мире нет неизменных, вечных свойств, что в природе все подвержено переменам, что все имеет свое начало и конец.
Кроме того, нельзя забывать, что философия имеет дело с очень общими, абстрактными категориями, смысл которых может меняться в зависимости от достижений естественных наук (вспомним замечание Энгельса о том, что диалектический материализм может изменять свою форму при каждом новом фундаментальном открытии естествознания). Но как бы ни менялись эти оттенки, основной тезис нашей философии о первичности материи и ленинское ее определение как объективной реальности остаются незыблемыми.
Сегодняшняя наука, особенно физика и космология, развивается так стремительно, что к сведениям, которые излагаются в учебниках, если не хочешь отстать, следует непременно добавлять данные из популярной или специальной научной и философской периодики.
Вернемся к Большому взрыву, вернее, к остывающему после него веществу. Расчеты показывают, что в сов-ременном мире на каждые несколько десятков миллиардов протонов должен приходиться один «изначальный» реликтовый кварк, родившийся еще тогда, когда протовещество было горячим. Столько же должно быть и антикварков. А все это означает, что в одном кубическом сантиметре вещества Вселенной должно содержаться около триллиона реликтовых кварков!
Но это – в среднем. На самом деле кварки могут распределяться весьма неравномерно, и в некоторых веществах их концентрация может быть еще выше. Ведь и по отношению к электронам различные вещества ведут себя по-разному: в одних материалах электрические заряды накапливаются быстро – вспомним например, как легко электризуется одежда из синтетики; другие материалы, наоборот, оказываются хорошими проводниками и сразу же теряют электрические заряды.
Блуждая в веществе, например в воде океанов, кварки с отрицательным электрическим зарядом будут «прилипать» к положительно заряженным ядрам атомов Образуются «кварковые атомы», и их физико-химические свойства будут немного отличаться от свойств обычных атомов с чисто электронными оболочками. Поэтому с помощью современных химических методов можно сначала повысить их концентрацию в исследуемых образцах, а затем попытаться выделить их в чистом виде. Нечего и говорить, что этот способ был испробован, причем он был так тщательно отработан, что если бы в 10 кубометрах воды (по объему это приличная цистерна) содержался всего один кварк, он был бы обнаружен. Увы! Кварков не обнаружилось. Ни в океанской воде, ни в земной коре, ни даже в лунном веществе.
Это можно было бы понять, если допустить, что кварки – не просто тяжелые, а очень тяжелые частицы Концентрация частиц, образующихся внутри горячей Вселенной, зависит от их массы. Чем тяжелее частицы, тем труднее происходит их выделение из протовещества. В своих расчетах теоретики исходили из предположения, что кварк в 5—10 раз тяжелее протона. Чтобы объяснить отрицательный результат экспериментов приходится допустить, что масса кварков в миллиарды миллиардов раз больше массы протона. Но мы уже знаем, что это уже масса пылинок, танцующих в солнечном луче. Кажется просто невероятным, чтобы часть протона была в миллиарды миллиардов раз больше его самого!
Но почему все-таки это невероятно? В последние годы открыто немало такого, что несколько десятков лет назад показалось бы абсолютно невозможным. Ведь даже в существование дробного заряда ни один физик четверть века назад не поверил бы!
Физики вообще народ весьма недоверчивый, и лишь эксперимент или какие-то глубокие теоретические аргументы могут заставить их отказаться от утвердившихся идей. Но, с другой стороны, опыт убедил физиков в необходимости анализировать любую, даже самую «сумасшедшую» возможность, если она не противоречит известным законам. Поэтому гипотезу сверхтяжелых кварков нельзя отбросить «с порога», хотя многим физикам (в том числе и пишущему эти строки) она представляется малоубедительной.
Можно было бы попытаться обнаружить «растворенные» в веществе кварки с помощью метода, которым американский физик Милликен в начале нашего века измерил заряд электрона. Милликен изучал падение заряженных капелек в электрическом поле конденсатора. Капельки были такие маленькие и легкие, что изменение их суммарного заряда всего лишь на один заряд электрона заметно влияло на скорость их падения.
Между прочим, однажды он наблюдал капельку, заряд которой был на треть меньше заряда электрона. Этот результат показался ему настолько странным, что он просто его отбросил, решив, что в опыт вкралась какая-то погрешность. Лишь несколько лет спустя в одной из своих статей Милликен вскользь упомянул об этом факте. Возможно, так оно и было – произошел один из тех непонятных «сбоев», которые иногда случаются и портят столько крови экспериментаторам. Слишком уж мала ожидаемая концентрация сверхтяжелых кварков, чтобы можно было обнаружить такую частицу внутри мельчайшей капельки.
Но все это было давно – современные экспериментальные возможности несравненно богаче! И вот в США, в Стенфордском университете, решили поставить опыт, напоминающий опыт Милликена. Чтобы манипулировать большими крупинками вещества, использовалось магнитное поле, которое компенсировало силу земного притяжения. Крупинка висела в воздухе, между пластинами конденсатора (подобно легендарному гробу Магомета). Сдвинься она на долю микрона, это отразилось бы на величине ее электрического заряда: недаром точность опыта в десятки тысяч раз превосходила ту, которой достигал в свое время Милликен.
И представьте себе, экспериментаторам удалось обнаружить положительный и отрицательный заряды, равные трети заряда электрона! В прибор один за другим помещались пять маленьких шариков из ниобия, и два из них оказались с дробными зарядами.
Трудно сказать, насколько достоверен этот результат. Скорее всего он все-таки обусловлен какими-то неучтенными особенностями эксперимента. Например, шарики из ниобия должны, были быть, абсолютно круглыми – симметричными по форме и по составу. Даже небольшое отклонение от симметрии сразу же породило бы силы, которые сместили бы положение равновесия шарика, а с ним и его заряд. В том, что шарики круглые, можно было, конечно, убедиться с помощью микроскопа. Гораздо труднее доказать, что у них не было внутренних неоднородностей.
Как бы то ни было, для того чтобы поверить в кварковое происхождение дробного заряда, такой эксперимент нужно повторить очень много раз и с различными образцами-шариками. Заряды кварков точно равны одной и двум третям заряда электрона, экспериментальные же погрешности такой точности, естественно, давать не будут.
В целом доводов «против» кварков в этом эксперименте пока значительно больше, чем «за». Такого мнения придерживается большинство физиков, хотя об открытии дробных зарядов уже сообщили газеты и журналы, и к нам в институты поступает масса писем с вопросами, чему же в конце концов верить– сообщениям об открытии кварков или осторожным комментариям физиков.
Подобные коллизии с желанием побыстрее рассказать об удивительной находке в последние годы случались не раз. И дело тут не в недобросовестности или легкомыслии журналистов. Некоторые факты и выводы должны ждать своего подтверждения многие годы. Такова их специфика. Но беда в том, что именно такие, еще не признанные всеми, часто загадочные явления как раз и вызывают наибольший интерес. Они будят воображение, вдохновляют на поиски. Плохо другое – когда недостоверный, а то и просто сомнительный факт подается как сенсация и при том сопровождается намеками: наука, мол, его пока не признает, мало ли чего она сначала не признавала, а потом признала, да и кто сказал, что ей все уже известно... За примерами ходить далеко не надо: у всех на памяти полуфантастические репортажи о кожном зрении, о телекинезе, телепатии и тому подобных чудесах.
Взять хотя бы телекинез – передвижение предметов усилием воли. Принципиальную возможность подобных явлений обычно обосновывают тем, что нам недостаточно еще известны механизмы мозга. Да, это так, но вместе с тем можно с полной уверенностью утверждать: какими бы свойствами ни обладал мозг, его воздействие на физические тела не может не передаваться посредством какого-то материального агента, какого-то физического поля, и притом чрезвычайно сильного, если оно может двигать предметы. Но мы уже достаточно знаем устройство мозга, чтобы сказать: столь сильные поля мозг создавать не может. А коли так, сообщения о телекинезе либо мистификация, либо самообман.
Несколько иначе обстоит дело с телепатией – передачей чувств и мыслей на расстояние. Нельзя в принципе исключить того, что электромагнитные колебания, которыми сопровождается процесс мышления, могут улавливаться другим сверхчувствительным приемником-мозгом. Явного противоречия с физикой здесь нет. Хотя с точки зрения количественных оценок это выглядит крайне маловероятным. Все силы убывают с расстоянием. Исключение составляют, пожалуй, лишь межкварковые силы. Они должны быть совсем другими. Только этим и можно объяснить, почему нуклон не удается расщепить на отдельные кварки.
Большинство физиков склонны считать, что свободных, изолированных кварков в природе не существует. Кварки наглухо заперты внутри элементарных частиц, и никакими силами выбить их оттуда нельзя. Почему что так, мы точно еще не знаем, хотя некоторые объяснения этому удивительному свойству кварков теоретики уже нашли. Это действительно связано с особенностями поля, передающего взаимодействие между ними.
О квантах этого поля, глюонах, нам известно, по правде говоря, не больше, чем о кварках. Их ведь тоже никогда не наблюдали в свободном виде, как наблюдают, например, отдельные фотоны. Все, что мы о ни знаем,– результат теоретических расчетов и косвенных наблюдений.
У глюонов нет массы. Этим и некоторыми другими свойствами они похожи на фотоны. Но в отличие от них глюоны, так сказать, «саморазмножающиеся» частицы. Они сами, независимо от кварков, создают вокруг себя новое глюонное поле. Фотоны таким свойством не обладают, у них нет заряда и никакого нового электромагнитного поля вокруг их не образуется. Наибольшую интенсивность электромагнитное поле имеет вблизи заряда, его источника, а далее оно постепенно рассеивается в пространстве и ослабевает. Глюоны же – заряженные частицы. Они несут на себе специфический кварковый заряд – «цвет», который порождает новые глюоны, новые порождают следующие и так далее. Это приводит к тому, что глюонное поле не ослабевает, а наоборот, возрастает при удалении от порождающего его кварка. Выходит, как это ни парадоксально, кварки слабее всего связаны, когда они находятся на малых расстояниях друг от друга. Если же кварки пытаются разойтись, то сразу же возрастают стягивающие их силы. Другими словами, кварки становятся свободными не на поверхности элементарных частиц, а, наоборот глубоко внутри этих частиц.
В атомах и в их ядрах сильнее всего связаны внутренние слои. Кварковая структура элементарных частиц, наоборот, наиболее жесткой и крепко сцементированной оказывается на ее периферии. В общем, по сравнению с другими частицами у кварков все шиворот-навыворот. Острословию физиков на этот счет нет предела. Они, например, любят говорить о «центральной свободе и периферическом рабстве» кварков.
Не помню, кто это начал первым, кажется Абдус Салам, но вот уже много лет на конференциях физиков поддерживается забавная традиция изображать главную обсуждаемую ими проблему в виде веселого символического рисунка. Хорошо помню, например, рисунок американского физика Политцера, где он изобразил свое представление о свободе кварков в недрах элементарных частиц; ей была посвящена целая конференция
Если в один из кварков, находящихся внутри элементарной частицы, выстрелить очень быстрым электроном этот кварк получит большой импульс и отскочит. Но это движение будет продолжаться лишь до тех пор, пока удерживающие его глюонные силы не возрастут настолько, что их энергии станет достаточно для рождения пары кварка и антикварка. Антикварк и выбитый электроном кварк «слипнутся» в мезон, а оставшийся кварк займет внутри частицы место выбитого. И в результате все будет выглядеть так, будто кварк остался на месте и одновременно, как бы из ничего, родился мезон. Такой процесс «размножения» кварков и попытался изобразить Политцер...
Теперь должно стать понятно, почему не удается расколоть нуклон на три кварка: сколько по нему ни бей, из него всякий раз будут вылетать целые частицы, а не их осколки – кварки и глюоны!
Впрочем, все эти соображения о свойствах глюонных сил имеют пока только качественный характер. Ни теория, ни эксперимент не могут сказать, достаточно ли этих сил для полного удержания кварков внутри элементарных частиц. Специалисты предполагают, что это так, но здесь могут быть и сюрпризы.
Нельзя сказать, чтобы ученых удовлетворяло создавшееся положение. Один физик как-то заметил, что конференции по теорий кварков напоминают ему историю о том, как однажды мыши собрались на конгресс, чтобы решить, что им делать с разбойником-котом. Долго и с жаром спорили, судили, рядили, пока одна из них не предложила:
– Надо подвесить ему колокольчик!
– Правильно! – обрадовались остальные и, довольные найденным решением, стали расходиться.
– Но кто же это сделает? – нерешительно пискнул молодой мышонок.
– Детали – в рабочем порядке! – оборвал его председатель...
В любой науке, не только в физике, есть утверждения, доказательство которых приходится откладывать до лучших времен. А уж когда имеешь дело с экспериментом, гипотез никак не избежать. Строгая теория придет потом, а на первых порах это единственная возможность как-то осмыслить и привести в порядок результаты опытов.
Чтобы лучше понять природу и свойства сил, запирающих кварки внутри частиц, физики строят теоретические модели. Эти модели не только учитывают уже известные факты, но и содержат новые предположения. Результаты модельных расчетов проверяются опытом. Модель уточняется. За этим следуют новые эксперименты.
В правильности гипотезы «кварковой тюрьмы» внутри элементарных частиц, или «конфаймента» (в буквальном переводе с английского «тюремное заключение», как часто говорят физики, убеждают нас успехи хромодинамики. Так по аналогии с электродинамикой называют теперь раздел физики, изучающий кварк-глюонные взаимодействия. Электродинамика описывает взаимодействие фотонов с электрическим зарядом, хромодинамика – взаимодействие глюонов с цветовым зарядом. Она хорошо согласуется с опытом, и из ее формул следует, что связь «цветных» частиц действительно становится более сильной при увеличении расстояния между ними. К сожалению, точно решать уравнения хромодинамики мы умеем пока только для малых расстояний, в других случаях возможны лишь приблизительные модельные прикидки.
Неожиданный результат получается, если с помощью хромодинамики вычислить массу кварков на малых расстояниях, где они свободные, почти не взаимодействующие частицы. Оказывается, невзаимодействующие кварки очень легки: они весят в 100 раз меньше нуклона. Большей массой обладает кварк, входящий в состав странных частиц, но и он почти в 10 раз легче нуклона. Лишь у «очарованного» и «прелестного» кварка масса больше, чем у нуклона. Но эти кварки встречаются редко, окружающее нас вещество можно «слепить» почти без всякого их участия. Их было много лишь тогда, когда происходил синтез кваркового вещества.
С первого взгляда идея о легких кварках может показаться странной – как же из трех легких кварков «склеить» тяжелый нуклон? Откуда взять недостающую массу? Нельзя, однако, забывать о том, что нуклон состоит из трех кварков и окружающей их глюонной «шубы». Она-то в основном и дает недостающую массу. Легче всего «голые» кварки в центре нуклона. Но чуть только мы попытаемся «растащить» их, как тотчас возникнет сильное поле взаимодействия и кварки прибавят в весе. Чем дальше от центра частицы, тем они тяжелее, внутри элементарной частицы кварки ведут себя так, словно между ними натянуты некие эластичные нити.
На малых расстояниях эти нити расслаблены и не мешают движению кварков, а вот когда кварки пытаются разойтись, нити натягиваются и тем сильнее, чем дальше кварки удаляются друг от друга. Это самая простая модель «центральной свободы и периферического рабства» кварков.
Картина будет еще точнее, если читателю удастся представить себе пару взаимодействующих кварков в виде упругой глюонной струны с кварковыми зарядами на концах (вроде северного и южного полюса у намагниченного стержня), между которыми натянут жгут силовых линий глюонного поля. Когда кварки расходятся и струна натягивается слишком сильно, она может лопнуть и на месте разрыва сразу же вырастут два новых кварковых заряда. Разрывая такую струну, нельзя получить свободные кварки. А чтобы струна не сжалась в точку, можно предположить, что кварки вращаются вокруг ее центра. Возникающая при этом центробежная сила растягивает струну и компенсирует ее стремление сжаться. У частицы, как у вращающегося волчка, возникает момент вращения – спин.
Некоторые физики представляют себе элементарную частицу в виде эластичного пузыря, наполненного кварковым газом. Стремление оболочки пузыря сжаться уравновешивается внутренним давлением газа. Правда, «газ» внутри протона состоит всего лишь из трех кварков, а мезон наполнен «газом» из двух частиц – кварка и антикварка. Весьма условный газ, конечно, но на то и модель! Ее часто называют также «кварковым мешком». Физики, которые ее разрабатывают, разумеется, получили шутливое прозвище «мешочников». Между кварками внутри «мешка» можно ввести склеивающие силы. В зависимости от того, в каком состоянии взаимодействуют между собой эти частички, сам «мешок» по своим свойствам оказывается похожим на одну из известных нам частиц – на протон, гиперон, мезон и так далее. Массы этих частиц получаются очень близкими к тому, что наблюдается на опыте.
Научиться рассчитывать спектр масс частиц всегда было мечтой теоретиков. И никому это до сих пор не удавалось. И вот модель «кварковых мешков» впервые помогла теоретикам приблизиться к этой цели. Теперь «мешочники» пытаются изготовить кварковые «мешки» целиком из глюонного поля. Это позволило бы освободиться от грубого и все-таки очень приблизительного образа эластичной сжимающей оболочки и чисто теоретически рассчитать периферические силы сжатия. Одна из таких попыток связана с очень интересным явлением – образованием так называемых солитонов.
Давно было замечено, что в полях, обладающих самовоздействием (такие поля называются нелинейными) иногда образуются устойчивые волновые сгустки. Впервые это явление наблюдал еще в середине XVIII в. английский ученый Скотт Рассел на примере турбулентного движения воды. Вот как он сам описал его в одной из своих работ:
«Я наблюдал за движением баржи, которую с большой скоростью тянула по узкому каналу пара лошадей как вдруг баржа резко остановилась. Но отнюдь не остановилась приведенная ею в движение масса воды в канале. Неистово бурля, она стала собираться вокруг носовой части судна, а затем, вдруг покинув его, с огромной скоростью покатила вперед, приняв форму обособленного крупного возвышения – округлого, гладкого и резко очерченного скопления воды, которое продолжало свой путь по каналу без сколько-нибудь заметного изменения формы или уменьшения скорости».
