Текст книги "Охота за кварками"

Автор книги: Юрий Чирков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 19 страниц)

Кварки становятся цветными

Какого цвета элементарные частицы?.. Этот вопрос задавал многим физикам Г. Копылов, автор интересной книги про микромир («Всего лишь кинематика»).

Ответы были разными. При этом многие сошлись па мнении, что протон наверняка черный, если не красный.

Но показательно: высказывались только физики-теоретики, физики-экспериментаторы же, как правило, отмалчивались.

Получился, пишет Г. Копылов, хороший тест, позволяющий отличить потенциального теоретика от экспериментатора. Если вы, студент-физик, не чувствуете цвета частиц – не идите в теоретики!..

Когда впервые прозвучало слово «кварки», их было всего три. Известно было, что из этих элементов вроде бы можно построить любой адрон. Можно! Но только вот…

Оказывается, размещать кварки внутри частиц произвольно нельзя. Для них, как для зрителей в театре, должны быть отведены вполне определенные, строго пронумерованные квантовые «места».

Негоже двух (тем более нескольких) зрителей сажать в одно и то же кресло. Но именно это, казалось бы, делали теоретики с кварками. Внутри некоторых частиц билеты с одним и тем же номером получали сразу два, а иногда и три кварка.

Например, омега-минус-гиперон должен состоять из трех одинаковых странных кварков, причем одинаковыми у них должны быть и направления спинов. (Когда физики вводили понятие «спин», то предполагалось, что частицу, скажем, электрон, можно рассматривать как «вращающийся волчок», и его спин – от английского spin – вращаться, вертеться – и есть характеристика такого вращения.)

Все кварки – частицы с полуцелым спином: значит, выражаясь языком квантовой механики, они являются фермионами. Но фермионы (к ним относятся и электроны) не имеют права (действует так называемый принцип запрета Паули, ответственный, в частности, за живописное разнообразие электронных оболочек в атомах различных химических элементов) «быть вместе», находиться в одинаковом состоянии.

Тупик? Катастрофа для концепции кварков? Но противоречить канонам и прописям могущественной квантовой механики, которая до этого праздновала одну победу JA другой, было рискованно. Нет, что-то здесь было не так!

Первым выход из этого затруднительного положения указал (1905) академик Н. Боголюбов (в совместной со своими сотрудниками, Б. Струминскпм и А. Тавхолидзе, статье).

(Судьба Н. Боголюбова необычна. Известный советский математик Н. Крылов после беседы с четырнадцатилетним (1923 год) пареньком, окончившим сельскую семилетнюю школу, взял его к себе в ученики и до пределa загрузил работой. Не прошло и года, как ученик написал первую научную статью. Специальным решением Наркомпроса пятнадцатилетний подросток был зачислен в аспирантуру. А еще через два года юный математик стал сотрудником кафедры математической физики.)

Н. Боголюбов предположил, что вроде бы одинаковые кварки, составляющие тот или иной адрон, на самом деле не совсем подобны. Они различаются неким свойством, которое, за неимением готовых названий и в погоне за яркостью образа (а может быть, и не без юмора!), позднее нарекли «цветом».

Так кварки стали цветными. Существуют красные, зеленые, синие кварки. (Название цветов и сам термин «цвет», конечно же, не более чем наглядная и точная метафора, в которой нуждаются не только читатели научно-популярных книг и статей, но и сами ученые.)

Так введением еще одного загадочного качества кварков был восстановлен порядок в физическом «театре».

Его мудрая «дирекция» решила: кресел в зале вполне достаточно, просто надо понимать, что они различаются не только номерами, но и цветом: под одним и тем же номером значатся кресла трех цветов. Соответственно и билеты предлагалось покрасить в синий, красный и зеленый цвета. (Заметим, что до сих пор физики путаются, называя цвета: кое-кто толкует также о желтых, голубых кварках.)

Однако история с раскраской кварков на этом не закончилась. Сказавши «а», физикам надо было произнести и «б». Находясь в адроне, кварки должны взаимодействовать между собой: иначе непонятно, что их держит вместе. Но если есть взаимодействие, то должны быть (снова квантовая механика) и его кванты. В том же смысле, в каком фотон является переносчиком электромагнетизма, а пи-мезон (в первых теориях) переносчиком ядерных сил.

Поневоле пришлось допустить существование и особых переносчиков цвета глюонов (от слова glue – клей: глюоны «склеивают» кварки, не дают им разлететься).

Но в отличие от фотона глюоны – эти кванты цвета – сами должны быть цветными. Более того, глюон обязан нести уже не один, а сразу два цвета!

Например, чтобы «перекрасить» синий кварк в зеленый, глюон должен принести «антисиний» (!) цвет для компенсации старой окраски и новый цвет – зеленый.

(Такие бы средства да художникам! Чтобы без кистей и красок, а просто подумал: надо бы так-то и так-то изменить цвет на холсте – и готово!)

Так, разматываясь, кварковая «веревочка» стала еще и цветной. А кварки в адронах оказались окруженными облаком глюонов.

Сколько всего разных глюонов? Теория полагает, что ровно восемь: три цвета и три антицвета можно скомбинировать (это, если рассуждать простецки: теоретики же имеют дело со спинорами и другими деликатными вещами) девятью различными способами, но одна из комбинаций при этом оказывается бесцветной, и ее, как считают теоретики, надо запретить.

Ну а самое поразительное в этой странной истории то, что теория цветных кварков уже получила экспериментальное подтверждение. Конечно, никто цветного кварка не видел, но косвенные улики выдают «преступника» с головой.

Ну как тут не вспомнить строки О. Хайяма. Он писал:

 
Все, что видим мы, – видимость только одна,
Ибо тайная сущность вещей не видна.
 

Семантический салат

Древние греки и римляне оставили нам в наследство еще и древнегреческий с латынью. Эти ныне мертвые языки очень удобны, когда необходимо дать имя «новорожденному» той или иной науки.

Когда-то в основном так и поступали: брали один, два, а то и несколько корней забытых ныне миром слов и складывали из них новое. Однако постепенно слов стало не хватать. Прежний метод научного словопроизводства забастовал. И тогда кое-кто пошел на хитрость: стали заимствовать терминологию из лексикона смежных наук. Примеров тому немало.

Скажем, слово «плазма». Первыми (1845) его применили физиологи для описания бесцветной жидкой компоненты крови, лимфы, молока или мышц. Позже его включили и в слово «протоплазма». Хотя знатоки классических языков должны были бы протестовать: греческое слово plasma, лежащее в основе этих научных терминов, означало «вылепление», «оформление» и было вроде бы не совсем «к месту».

Позже слово «плазма» приглянулось физикам. И теперь мы имеем физику плазмы, плазмотрон, плазменные двигатели, плазменные ускорители, плазменные печи и т. д. Физики, по сути, отобрали это слово у биологов.

В связи с этим уместно вспомнить забавный эпизод.

На одной научной конференции, где собрались физики и биологи, первые то и дело говорили о плазме. Наконец, кто-то из биологов, сидящих в конце зала, не выдержал и жалобно спросил председателя, нельзя ли этому слову вернуть его прежний, биологический смысл. «Нет, – ответил председатель, – у физиков-атомников денег так много, что они навсегда откупили его…»

Но и заимствования не решили проблемы. Требовались все новые и новые слова. Объекты исследований – особенно в микромире – оказывались настолько сложными, что нужны были уже целые букеты слов.

Возьмем те же кварки. В описании их свойств участвуют такие слова, как «странность», «ароматы» (различные виды кварков часто называют еще и «ароматами»), названия трех цветов, слово «клей» (глюоны) и другие не менее заковыристые эпитеты. Получается настоящий семантический салат!

В чем недостатки подобной «свободы слова»? Их легко указать.

Прежде всего «этикетки» выбираются физиками довольно произвольно. К примеру, выбор цветов кварков и даже само понятие цвета – вещь довольно условная. При желании таинственное «нечто» можно было бы пометить не цветом, а, например, вкусом. И говорить о сладких, соленых и горьких кварках. Суть бы мало изменилась: ведь важно лишь то, что у кварков есть «что-то», некоторое свойство, могущее пребывать в трех модификациях.

А вот еще убытки от злоупотребления словами. Вслушайтесь в беседу химиков, биологов или математиков, и вы почувствуете, что не понимаете своего родного языка!

Иногда эти беседы может лучше понять иностранец. Конечно, он должен при этом быть химиком или биологом, да еще принадлежать к определенной научной школе.

Как бороться с этими издержками? И стоит ли?

Сказать трудно. Некоторые авторитеты настаивают: ученые должны пересмотреть свои труды, исключить из них специальную терминологию. Если ученый не в состоянии объяснить простым неученым лицам, что он делает, значит, он просто не знает, что творит. Если ученый ограждает себя барьером недоступности, это говорит лишь о том, что он недостаточно уверен в своих выводах…

Конечно, эти наскоки скорее всего слишком резки.

Как всегда, и в критике, и в научном словотворчестве лучше держаться золотой середины. Ну а точные критерии в этих делах зависят не только от ученых, но и от тех, кому наука адресована.

Один профессор высказался по этому поводу так: «Вы хотите разъяснения теории относительности? Какого разъяснения? На языке XVII века и, следовательно, в свете представлений времен Ньютона? Или с помощью современных технических терминов? Или опираясь на современную математическую символику? Все это будут попытки разъяснения, но насколько успешными они окажутся?»

Пока идут дебаты, физики («А Васька слушает да ест!») открывают вовсе новые элементарные частицы.

И вынуждены на свой страх и риск придумывать им имена.

До сих пор мы говорили только о трех кварках. Однако эстетические доводы еще лет 15 назад привели теоретиков к мысли, что должен существовать и кварк № 4.

Этот кварк должен был отличаться от предыдущих свойством, которое нарекли «очарованием». («Мы назвали наш кварк «очарованным», так как были восхищены и очарованы той симметрией, которую он внес в мир субъядерных частиц», – признался позднее один из авторов этого термина.)

И вновь теоретиков поддержали экспериментаторы.

В 1974 году был открыт новый адрон с временем жизни в тысячу раз продолжительнее, чем ожидалось. Этот факт можно был) объяснить только одним – в состав нового адрона входит кварк № 4 кварк, обладающий шармом.

Искусство потрясти аудиторию

В известном, теперь уже хрестоматийном рассказе «Подпоручик Киже» писатель Ю. Тынянов создал образ крайне замысловатый. Главный герой «присутствует, но фигуры не имеет».

Этот результат ошибки писаря, эта мнимая тень никогда не существовавшего человека дослужилась до звания генерала и даже была с почестями похоронена. Как все это напоминает кварки!

Сколько о них уже говорено, сколько бумаги исписано, чернил теоретиками пролито, искрошено мела! Уже два десятка лет упорно ищут кварки экспериментаторы.

Ненаблюдаемость кварков хоть кому покажется подозрительной. До сих пор обычно было не так: предсказывали теоретики такие-то частицы, и экспериментаторы их рано или поздно, но все же открывали. А вот с кварками это ну никак не получается!

А между тем число кварков все растет. В целой серии недавних экспериментов доказано (конечно же, косвенно) существование и пятого кварка. Обозначили его латинской буквой b: от английского слова beauty – красота (еще одна семантическая вольность).

Кроме того, есть подозрение (соображения, связанные с кварк-лептонной симметрией), что должен существовать и кварк Д ²⁶. Ему уж и название заготовлено – «истинный», или кварк t (от thruth – истина). Но, конечно же, отыскать истину, как всегда, оказалось нелегко!

Кварки умножаются словно грибы после дождя – их число быстро растет. И в то же время они упрямо отказываются, так сказать, «воочию» предстать перед экспериментальными очами. Что бы все это значило?

В сборнике «Физики шутят» приведены юмористического толка сетования на тему, как заразить молодежь любовью к физике, как вызвать у нее восхищение достижениями этой науки, ее проблемами.

Действительно, трудная это задача. Неспортсмен, прочтя в газете про только что установленный новый мировой рекорд в плавании, вряд ли сильно заинтересуется этим сообщением. Чтобы проплыть 100 метров вольным стилем, прежде затрачивалось столько-то секунд, теперь на 2 секунды меньше: ну и что? Какая разница? (Этот штафирка от спорта просто не в состоянии в достаточной степени оценить труды спортсменов и тренеров и другие спортивные тонкости.) Вот так же и физику нелегко расшевелить аудиторию, состоящую из людей, с физикой слабо знакомых: ну, было три кварка, теперь – шесть, ну и что?

Да, согласимся, потрясти непосвященных какой-либо физической загадкой непростое дело. Беда в том, что мало кто заинтересуется ответом на вопрос, который он сам не задавал.

Но давайте, как теоретики, проведем такой мысленный эксперимент: объявим публично (краткая заметка в газете, аннотация в научно-популярном журнале): «НЕБЫВАЛОЕ, НЕСЛЫХАННОЕ. Открыта новая элементарная частица, ЧАСТИЦА-ПРИВИДЕНИЕ!»

Думается, что такое сообщение вызовет уже определенный интерес. С привидениями все мы с детства на «ты», они прочно вросли в мир наших представлений, тут все понятно любому. И то, что в чуждом и малопонятном для нас мире элементарных частиц обосновались наши давние знакомцы, – факт отрадный, частицы-призраки будут всеми приняты с симпатией.

Все это шутка только наполовину. Вспомним про кварки. Ведь они, возможно, и тут поставили своеобразный мировой рекорд. Что, если это действительно совершенно новый тип частиц: если не призраков, то невидимок? Что, если и в самом деле обнаружить отдельные кварки принципиально нельзя?..

Кварки вошли в физику подобно троянскому коню.

Вначале мало кто верил в их реальность. Все воспринималось лишь как красимая теоретическая схема, временные строительные леса на пути к более совершенным и более серьезным теориям. Ну, просто курьез, выверт, игра воображения теоретиков!

Однако не успели физики оглянуться, как кварки проникли всюду. И сейчас без них просто невозможно обойтись (так же, как, например, в химии нельзя уже обойтись без атомов и молекул). И в то же время «поймать» кварки никак не удается.

Вот и похоже на то, что кварки открыли в физике как бы новую страницу. Теперь некоторые частицы (из сословия элементарных), возможно, могут позволить себе роскошь отсутствовать в свободном виде, быть действительно частицами-призраками.

Квантовая шапка-невидимка

Вокруг кварков уже создана целая научная идеология, играющая ту же революционную роль в современной физике, какую квантовая механика играла в физике примерно полвека, а механика Ньютона – столетие назад. Возникла новая наука – квантовая хромодинамика. (Цветодинамика – так тоже можно ее назвать.) Понятие цвета в ней одно из важнейших.

Мы не собираемся – складываем перо в смирении! – излагать читателю тонкости этой науки: задача это непростая, да, кроме того, уже написаны и статьи и книги (и научные и популярные). А будем двигаться к более простой цели последуем за мыслью теоретиков, послушаем, как они трактуют ненаблюдаемость кварков. Но вначале вновь поговорим о цвете.

Есть забавная детская игрушка – вращающийся диск с тремя цветными кружочками – красным, синим и зеленым. При вращении кружочки сливаются в сплошную белую полоску, поскольку красный, зеленый и синий тона в смешении (еще И. Ньютон этим занимался!) дают белый.

Этот волчок и поможет в какой-то мере раскрыть секрет, отчего экспериментаторы не наблюдают цветных частиц, а видят их лишь белыми, хотя внутри адронов замурованы цветные кварки. Почему по не вполне понятным мотивам природа и мы вместе с ней обязаны быть дальтониками! Заметим, кстати, насколько завязли мы в месиве абстракций. Ведь, строго говоря, цвета кварков к обычным цветам и краскам никакого отношения не имеют! Но продолжаем.

По воззрениям теоретиков, часть адронов (барионы), состоящих из трех кварков, содержит каждый цвет по одному (один кварк красный, другой зеленый, третий – синий), поэтому в целом барион «выглядит» бесцветным.

В мезонах же и кварк и антикварк одного цвета. Однако (тонкая штучка!) цвет у мезона непрерывно меняется – треть своей жизни мезон красный, другую треть – зеленый, третью – синий. Так что и мезон в целом также оказывается бесцветным.

А почему мы не можем вытащить из адрона отдельный цветной кварк? Виноваты силы, действующие между кварками. И здесь природа проявила много выдумки.

Как показали хромодинамические расчеты, когда кварки находятся близко друг от друга, силы эти очень слабы, но они быстро увеличиваются, если мы попробуем кварки разъединить.

По закону Кулона (школьные знания), сила между двумя зарядами уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Подобному же закону подчиняется и сила тяготения. Так что при достаточном разведении друг от друга зарядов или масс этими силами можно пренебречь. А в квантовой хромодинамике все не так: сила не уменьшается с расстоянием, а остается постоянной.

Поэтому-то разделение кварков требует колоссальных энергетических затрат. Полагают, этой энергии было бы достаточно, чтобы поднять автора этих строк на 20 метров над поверхностью Земли!

Но, даже затратив этакую махину энергии, цели (уединенный кварк) мы все равно не добьемся. Задолго до того, как такой энергетический уровень будет достигнут, начнут действовать другие процессы. И энергия, вкладываемая на отделение кварка, материализуется в пару: кварк – антикварк. При этом новый кварк заменил бы тот, который мы пытались выудить, скажем, из протона, и восстановил бы протон в прежнем состоянии. А новый антикварк «прилип» бы к удаляемому кварку, образовав мезон. И в результате все будет выглядеть так, будто кварк так и остался на месте и как бы «из ничего» родился бесцветный (условия игры соблюдены!) мезон. (Все это похоже на то, как если бы мы попытались получить лист бумаги, имеющий только одну сторону! Или еще на то, что мы силимся оторвать от магнита один из его полюсов. Многие из нас еще в школе хотели сделать ото и убеждались в тщетности своих усилий: всякий раз получаются два магнита и оба с двумя полюсами.)

Вот она, шапка-невидимка для кварков! Похоже, эти частицы сидят в особом квантовом мешке и никак не могут оттуда выбраться.

Слово «мешок» (еще один образ) не произвол автора, а вполне рабочее понятие у тех, кто колдует с формулами квантовой хромодинамики в руках. (Говорят также еще о «вечном заключении», «инфракрасном рабстве»…)

Из-за математических трудностей точные расчеты физикам-теоретикам пока недоступны, но они не унывают: строят качественные модели удержания кварков в адронах, создают модели «мешков», или «кварковых мешков».

Физики, которые их разрабатывают, получили даже шутливое прозвище «мешочники».

Сейчас существует модель «дубненского мешка» (советские физики-теоретики из города Дубны были в этом деле первыми), «мешка Массачусетского технологического института» (США), хорошо известен «будапештский мешок». Есть, конечно, «мешочники» и в других странах…

* * *

Говорят, природа – открытая книга. Как бы не так!

Теперь мы знаем: некоторые страницы в ней как бы склеены (глюоны), так что прочесть их (кварки), возможно, никогда не удастся. Нет, содержание текста мы непременно узнаем, нельзя будет лишь самолично пробежать строчки глазами, оценив каллиграфическое (или типографское, если хотите!) мастерство природы.

Наука об элементарных частицах переживает пору своей юности. Никому не дано знать, что принесет она в будущем. Но, быть может, именно в этом главная притягательная сила, заставляющая нас быстро листать в книге природы страницу за страницей.

И, начав, человек уже не сможет оторваться от этого захватывающего чтения!

8
Слон в кастрюле

…а другой доказывал, что внутри земного шара имеется другой шар, значительно больше наружного. В сумасшедшем доме каждый мог говорить все, что взбредет ему в голову, словно в парламенте.

Ярослав Гашек. Похождения бравого солдата Швейка во время мировой войны

Существует старинная легенда о воинах, павших в сражениях минувших времен. Они пробуждаются к жизни, чтобы в ночной тишине продолжать нерешенную битву.

Так и идеи философии. Казалось бы, поверженные, перечеркнутые, списанные, давно сданные в архив, бьются они между собой, и борьба эта не утихает. Что есть мир?

Как он устроен? Какова его структура? Где у него начало, где конец?..

В конечном итоге ответы на многие вопросы должна дать физика. Начинаем рассказ о новейших находках ученых, указывающих для философов новые пути.