подхода четко выяснили, что реальные кварки, если бы они были найдены,
принесли бы теоретикам не только радость, но и множество трудностей. Они
оказались бы опять-таки сложными адронами со всеми вытекающими отсюда
последствиями. И снова возник бы вопрос: а из чего состоят кварки?
Это заставило сторонников кварковых моделей активно исследовать
возможности запирания кварков - надо ведь как-то объяснить отсутствие их на
опыте! И согласитесь, что протон как "кварковый атом" выглядит весьма
необычно - вовсе не так, как его представляли себе во времена первых
составных моделей. На структуру обычного знакомого нам атома, состоящего из
ядра и вращающихся вокруг него электронов, эта картина похожа очень мало -
вроде бы атом, но вывернутый наизнанку...
В общем, если говорить о какой-то единой атомистической концепции, то
приходится признать, что она испытала за последнее десятилетие стремительное
развитие.
Быть может, допуская некоторое преувеличение, стоит отметить, что
"атомарное" устройство протона примерно настолько же сложнее атома Бора,
насколько атом Бора сложней атома Демокрита. Это замечание, конечно, не
связано с определением какой-то строгой геометрической пропорции между
сложностью конкретных физических моделей. Но оно могло бы вызвать такое
недоумение - ведь Демокритов атом рассматривался еще в доньютоновскую эпоху,
и его структура представлялась в чисто механических образах, причем законы
механики еще не были как следует поняты, не были известны фундаментальные
силы... Атом Бора как модель возник уже через двести лет после создания
новой физики, когда были известны и законы механического движения, и закон
Кулона для силы взаимодействия между электроном и ядром, причем законов
обычной механики для описания атома оказалось недостаточно... Неужели
кварковая структура протона вносит существенно новые моменты в современную
теорию?
В том-то и дело, что вносит! И пока мы еще далеко не полно представляем
себе всю новизну положения. Но два момента в этой ситуации уже можно четко
отметить.
Во-первых, мы вынуждены вводить в рассмотрение особый класс реальных
объектов: кварки-партоны. Эти объекты, как мы их понимаем в настоящее время,
совершенно необычны и не имеют предшественников в физике. Они являются
элементами структуры адронов, но не могут быть выделены в качестве отдельных
частиц, подобно другим элементарным частицам. Можно ли их все-таки считать
реальными объектами? Это, как вы помните по обсуждению реальности
резонансов, в известном смысле вопрос договоренности. Ведь и резонансы в
свое время мы считали чем-то менее фундаментальным, чем стабильные адроны и
не очень-то спешили объявить их особым типом элементарных частиц.
Кварки-партоны не способны оставить макроскопический след в веществе,
подобно протону или пи-мезону; они не приводят и к таким перераспределениям
наблюдаемых следов, как известные резонансы. В этом смысле они ненаблюдаемы
и вряд ли будут наблюдаться в будущих экспериментах.
Однако кварки-партоны можно "увидеть" с помощью частиц, обладающих
только слабыми и электромагнитными взаимодействиями. Эти частицы - фотон,
нейтрино, электрон, мюон - способны проникнуть сквозь внешние оболочки
адрона и провзаимодействовать непосредственно с его "кварковым атомом".
Более того, один адрон тоже способен "увидеть" структуру другого адрона при
взаимодействии на малых расстояниях, когда валентные кварки непосредственно
рассеиваются друг на друге.
В отличие от других частиц кварк-партон не должен иметь определенного
значения массы - это в высшей степени нестабильное образование. Его масса
может иметь совершенно произвольное, случайное значение, зависящее от
условий, в которых он находится.
Это не столь уж и удивительно, если учесть, что только у абсолютно
стабильных частиц масса определена абсолютно точно. У некоторых
короткоживущих резонансов погрешность в определении массы достигает 10 и
более процентов. По-видимому, в случае кварков-партонов мы имеем дело с
объектами, у которых погрешность в определении массы практически достигает
100 процентов, и о какой-то одной определенной массе их говорить не имеет
смысла. Единственные четко определенные величины, которые можно приписать
кваркам-партонам, - различные заряды. В этом плане они как бы определены по
одному свойству: иметь определенные электрический, барионный заряды,
"странность" и "очарование".
Во-вторых, силы, действующие между кварками-партонами, весьма необычны.
Они должны не убывать с ростом расстояния между ними, а, наоборот,
возрастать. Такое представление противоречит привычным для нас понятиям о
фундаментальных силах, которые известны уже давным-давно из теории тяготения
и из электродинамики. Со школьных лет мы знаем, что закон Ньютона для
тяготеющих масс и закон Кулона для взаимодействующих зарядов определяют
силы, которые обратно пропорциональны квадрату расстояния между частицами.
Еще быстрее убывают с ростом расстояния слабые и сильные взаимодействия
между частицами, силы, открытые уже в нашем веке.
На малых расстояниях все эти силы чрезвычайно велики и становятся
бесконечно интенсивными в пределе нулевых расстояний, то есть при
непосредственном контакте точечных частиц.
Такое представление о характере фундаментальных сил стало своеобразным
эталоном, и во многом благодаря успехам квантовой электродинамики. Но, как
вы помните, сама квантовая электродинамика оказалась непригодной при
исследовании процессов взаимодействия на малых расстояниях.
Поэтому физики стали активно искать новый эталон квантовой теории,
который можно было бы использовать в таких условиях, когда электродинамика
становится непригодной.
Еще в 1954 году американские теоретики Ч. Янг и Р. Миллс
заинтересовались такой проблемой: что будет, если, скажем, изотопическая
симметрия между протоном и нейтроном выполняется в каждой точке пространства
и в каждый момент времени? Оказалось, что для соблюдения такой симметрии
необходимо, чтобы существовало особое калибровочное поле, кванты которого и
позволяют переносить взаимодействие между почти сохраняющимися зарядами -
изотопическими спинами. Это калибровочное поле играло для указанного заряда
примерно ту же роль, что электромагнитное поле - для электрического заряда.
Общая идея состояла в том, что любому точно или приближенно
сохраняющемуся квантовому числу можно сопоставить определенное калибровочное
поле, подобно тому, как сохраняющемуся электрическому заряду можно
сопоставить электромагнитное поле. В сущности, физики хотели устранить явное
неравноправие в семействе сохраняющихся квантовых чисел - зарядов. Ведь
электрический заряд выступает как бы в двух ролях одновременно - он,
во-первых, сохраняется и, во-вторых, характеризует собой определенное
взаимодействие. Не является ли электромагнитное поле простейшим частным
случаем калибровочных полей и нельзя ли каждому сохраняющемуся квантовому
числу придать дополнительную роль заряда, взаимодействующего со своим особым
калибровочным полем?
Такие вопросы встали перед физиками. В процессе более чем 20-летнего
исследования различных калибровочных полей они и столкнулись с интересным
явлением. Оказалось, что калибровочные поля, обладающие высокой симметрией,
во многом отличаются от электромагнитного поля.
Например, на очень малых расстояниях соответствующие заряды могут
обращаться в нуль, а на конечных расстояниях иметь вполне конечное значение.
Это прямо противоположная ситуация по сравнению с электродинамикой!
Получается, что заряд не ослабевает из-за экранировки виртуальными
частицами, а, напротив, усиливается благодаря такой экранировке. А на малых
расстояниях взаимодействие между частицами вообще исчезает.
Столь необычайный результат связан с такими свойствами калибровочных
полей с высокой симметрией, которые не могут возникать в простейшем их
случае у электромагнитного поля. Оказалось, что кванты сложных калибровочных
полей способны непосредственно взаимодействовать друг с другом, тогда как
фотоны не могут участвовать в таком взаимодействии - обычный свет "не
светится", то есть не порождает новые фотоны.
Калибровочные же кванты способны "светиться" -- они охотно порождают
новые калибровочные кванты, и именно из-за такого дополнительного
взаимодействия возникает необычная антиэкранировка точечного заряда.
Ясно, что такие замечательные свойства калибровочных полей немедленно
привлекли внимание теоретиков, пытавшихся объяснить природу межкварковых
сил. Кванты калибровочных полей - их и назвали глюонами - должны были
сыграть роль удивительного клея, который позволяет кваркам чувствовать себя
совершенно свободно внутри адрона, но не отпускает их далеко друг от друга.
Теория взаимодействия всех цветных кварков и глюонов получила название
квантовая хромодинамика (по-русски - цветодинамика). Она созвучна квантовой
электродинамике, пожалуй, только по названию, поскольку свойства глюонов
намного сложней, чем свойства фотонов.
Так сформулировалась современная картина строения адронов.
Не стоит, конечно, полагать, что она ясна целиком и полностью. Природа
глюонов и, следовательно, сил, действующих между кварками, еще во многом
непонятна, и потребуется еще огромная работа теоретиков и экспериментаторов,
чтобы детально выяснить все закономерности.
Хотелось бы верить, что в принципе принятая здесь схема строения адрона
выглядит правильно. Но не исключено и другое, что между этой схемой и
теорией адронов лежит область новой физики, подобно тому, как между моделью
атома Резерфорда - Бора и современной теорией атома пролегла квантовая
теория со всеми ее необычными представлениями...
Что же делать с эталонами, которые оказываются вовсе не эталонами? Как
быть с аналогиями, которые подчас толкают нас по неверному пути?
Ответ может быть только один - надо работать, всегда искать новые
возможности. Нравится нам это или нет, только новое не рождается из благих
пожеланий и из простого созерцания. Оно создается нашими руками и по нашим
проектам.
Важно представлять себе и то, что материалом для создания нового всегда
является старое.
Можно тысячекратно объявлять эталоны реакционными пережитками, но это
хорошо лишь постольку, поскольку служит стимулом для создания новых
эталонов. А создать новый эталон - дело очень сложное.
На начальном этапе всегда приходится заимствовать готовую аналогию и
приспосабливать ее к новой области явлений. Скажем, модель электромагнитных
взаимодействий приспосабливалась к описанию сильных процессов. В ней
делались изменения, и она сама преобразовывалась. Оказалось, что в чем-то
она применима, а в чем-то нет. И начинается мучительный процесс перестройки,
привлечения других аналогий. Например, в физике адронов пришлось
использовать несколько первоначально далеких друг от друга аналогий из
других областей - вспомните хотя бы три картины строения адрона.
Одновременно физики учатся - да, да, именно учатся. Они создают новые
математические методы анализа микромира, готовят новые экспериментальные
средства.
И все эти факторы взаимодействуют между собой. Новые уравнения
открывают новые возможности в объяснении наблюдаемых закономерностей. Новые
эксперименты привлекают внимание к таким проблемам, на которые раньше не
обращали внимания.
Постепенно совокупность старых аналогий, пересаженная на почву новых
фактов, настолько преобразовывается, что наступает момент появления новой
теории. В сущности, не момент, а какой-то промежуток времени, до которого
наблюдалось как бы хаотичное движение противоречивых идей, а после него -
упорядоченное представление еще об одной области знания...
Рискуя показаться отчаянным оптимистом, скажу, что в физике адронов мы
уже вступили в такой промежуток. Но как близок твердый берег хорошей теории?
На этот вопрос ответить пока невозможно - все-таки мы плывем по
незнакомому океану...
КАК РОЖДАЕТСЯ АДРОН?
У человека, приступающего к изучению теории любых взаимодействий,
всегда создается впечатление, что упругое рассеяние частиц - простейший из
простых процессов. Ведь в упругом рассеянии никакие внутренние свойства
частиц не изменяются, в результате реакции получаются такие же частицы,
какие были до нее.
В самом деле, гораздо проще исследовать, скажем, соударение двух
обычных бильярдных шаров, которые все время остаются теми же бильярдными
шарами. Лишь в момент соприкосновения они слегка деформируются, чтобы
немедленно восстановить свою форму. Вообразим теперь такое положение, когда
в результате удара один или оба шара способны рассыпаться на несколько таких
же бильярдных шаров, причем этот развал происходит довольно часто, в большом
числе случаев.
Физик сказал бы по поводу таких столкновений, что процесс размножения
шаров происходит с большой вероятностью, и стал бы немедленно ставить точные
опыты, чтобы выяснить, с какой именно вероятностью рождается один
дополнительный шар, два дополнительных шара и т. д. ...
Предположим теперь, что физик узнал все необходимое и натолкнулся на
такую любопытную ситуацию. Шары могут охотно рождаться, но все-таки
некоторый небольшой процент событий - это чисто упругое рассеяние. И вот
вероятность простейшего процесса - упругого рассеяния - оказывается каким-то
образом связанной с тем, как ведут себя неупругие реакции, то есть те, в
которых рождаются новые шары.
Продолжая свои опыты и осмысливая их теоретически, физик, наконец,
находит закон действия сил между шарами. Иными словами, он определяет форму
потенциальной энергии взаимодействия и теперь уже может теоретически
рассчитать поведение шаров в результате упругого соударения. И при этом
первоначальные подозрения о какой-то связи между упругими и неупругими
реакциями превращаются во вполне конкретный факт. Оказывается, что
потенциальная энергия взаимодействия между двумя шарами почти полностью
определяется процессами "множественного рождения" шаров.
Создается довольно странная, с точки зрения привычной физики,
ситуация - свойства самой простой реакции сильно зависят от свойств гораздо
более сложных реакций, где могут участвовать многие объекты. Очевидно, все
дело в необычности воображаемых шаров, столкновение которых мы обсуждаем.
Эти шары охотно разваливаются при соударении и наверняка представляют собой
сложные объекты. В момент, когда они сталкиваются и снова разлетаются, то
есть взаимодействуют только упруго, они все равно чувствуют сложную
структуру друг друга. И в конце концов не столь уж и удивительно, что силы,
которые проявляются в таком упругом соударении, сильно зависят от
внутреннего устройства этих шаров, от того, каким образом они могут
разваливаться на отдельные части...
Вся притча о шарах служит нам, конечно, лишь целям наглядности. Обычные
бильярдные шары ведут себя обычным образом, так, как и положено механическим
объектам. А описанные здесь воображаемые опыты просто воспроизводят свойства
сильновзаимодействующих частиц - адронов.
Сильные взаимодействия, в сущности, потому и называют сильными, что
участвующие в них частицы способны интенсивно рождаться. И чем выше энергия
сталкивающихся адронов, тем больше в среднем рождается новых адронов.
Например, при самых высоких энергиях столкновение протонов, достигнутых в
ЦЕРНе (2000 ГэВ), рождается в среднем более десяти только заряженных частиц.
Адроны способны упруго рассеиваться друг на друге. Например, протоны
примерно в 20 процентах всех событий при высоких энергиях испытывают именно
упругое соударение. Но остальные 80 процентов относятся совсем к иному типу
процессов - процессам "множественного рождения". Это и означает, что
вероятность образования некоторого числа новых адронов очень велика, и
поэтому физики часто говорят, что "множественное рождение" представляет
собой главное явление, основной тип реакций с участием адронов.
В 1963 году советские теоретики А. Логунов и А. Тавхелидзе показали,
что упругое рассеяние адронов можно описать уравнением, которое представляет
собой прямое обобщение уравнения Шредингера на случай движения очень быстрых
частиц. Оказалось, что потенциальная энергия взаимодействия адронов
действительно определяется в основном множественными процессами.
Большая интенсивность "множественного рождения" служит практически
сильнейшим доказательством сложного внутреннего строения адронов.
В свое время Ч. Янг предложил такую наглядную картину. Упругие реакции
между адронами возможны главным образом в том случае, когда сталкивающиеся
адроны испытывают сравнительно слабый взаимный, удар, то есть передают друг
другу малый импульс и незначительно меняют направление движения, говорил он.
События, в которых происходит передача большого импульса, крайне редки, и
дело здесь в том, что адронам просто трудно передать друг другу большой
импульс, сохранив свою целостность. Скорее всего, они должны просто
разваливаться на отдельные части - фрагменты, которые представляют собой не
что иное, как обычные адроны. Адрон, не развалившийся при сильном ударе, -
редкое явление!
Действительно, например, каждый из сталкивающихся протонов как бы
насыщен мезонами, резонансами, парами барион - антибарион, которые охотно
Новинки >> Русской фантастики (по файлам) | Форумов | Фэндома | Книг