Маркус дю Сотой - О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний

Среди тех, кто догадывался, что такой дополнительный уровень может предполагать три фундаментальные частицы, из которых могут быть построены все частицы, соответствующие следующим уровням, был Роберт Сербер, бывший правой рукой Оппенгеймера в «Манхэттенском проекте». В 1963 г. за обедом Сербер рассказал об этой идее Гелл-Манну, но, когда Гелл-Манн спросил его, какой электрический заряд могли бы иметь эти гипотетические частицы, Сербер затруднился с ответом. Гелл-Манн начал писать на салфетке и вскоре получил ответ. Их заряд должен быть равен 2/3 или –1/3 заряда протона. Такой ответ казался бессмысленным. «Странный был бы выверт» [43], – заметил Гелл-Манн. Никаких объектов, заряд которых не был бы равен целому числу зарядов электрона или протона, в истории физики никогда не наблюдалось.

Треугольник, предполагающий существование трех новых частиц: верхнего, или u-кварка, нижнего, или d-кварка, и странного, или s-кварка [44]

Ситуация напоминала времена Пифагора. Считалось, что все состоит из целых чисел, как вдруг появилось нечто, что, по-видимому, делило эту фундаментальную единицу на части. Дроби задавались отношениями целых чисел, но до сих пор никто никогда не встречал таких дробных зарядов. Сначала Гелл-Манн отнесся к таким гипотетическим частицам с дробным зарядом скептически, но к вечеру они начали ему нравиться. В последующие недели он стал исследовать возможные следствия этой идеи, называя такие частицы «кворками» – это словечко он использовал и раньше в смысле «непонятные штучки». Сербер считает, что Гелл-Манн обыгрывал в нем тот странный выверт, «quirk», о котором он говорил за обедом.

Читая экспериментальный роман Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», Гелл-Манн набрел на отрывок, определивший правописание слова, которое он стал использовать для обозначения этих гипотетических частиц. Его внимание привлекла первая строчка стихотворения, высмеивающего короля Марка, обманутого мужа, в легенде о Тристане и Изольде: «Three quarks for Muster Mark!» [45]

С учетом того, что таких гипотетических частиц, из которых можно построить другие слои, было три, аналогия казалась точной. Единственная трудность заключалась в том, что Джойс явно считал, что слово «quark» должно рифмоваться с именем «Марк», а не со словом «кворк». Тем не менее утвердились именно те правописание и произношение, которые понравились Гелл-Манну [46].

В конце концов такие кварки составили последний, по нашим представлениям, уровень устройства материи. Но идея эта прижилась не сразу. Когда Гелл-Манн говорил о кварках по телефону со своим бывшим научным руководителем, тот перебил его: «Мюррей, хватит шутить. Мы же разговариваем по международной связи».

С точки зрения Гелл-Манна, система казалась слишком красивой, чтобы не содержать в себе хотя бы какой-то истины. Идея заключалась в том, что под всеми этими слоями частиц лежит еще один уровень из трех фундаментальных частиц – верхнего кварка, нижнего кварка и странного кварка, заряды которых равны, соответственно, 2/3, –1/3 и –1/3. Остальные частицы образованы из сочетаний этих кварков (и их античастиц, как в случае каонов и пионов). Число странных кварков, использованных в конструкции частицы, определяет ее странность. Таким образом, схему восьмеричного пути, состоящую из протона, нейтрона и сигма-, кси– и лямбда-гиперонов, теперь можно перерисовать с учетом таких кварковых ингредиентов.

Кварковые составляющие восьмеричного пути

При каждом шаге вверх по этой схеме число странных кварков уменьшается на единицу. Если двигаться в направлении увеличения заряда, то на каждом шаге увеличивается число верхних кварков, имеющих заряд 2/3. Существует еще и третье направление, которое определяет увеличение числа нижних кварков. Схожие закономерности существуют и в других слоях частиц.

Идею разборки материи на такие более мелкие частицы обдумывал не только Гелл-Манн. Американский физик Джордж Цвейг тоже полагал, что эти схемы указывают на существование более фундаментального уровня частиц. Он называл их тузами, но при этом он, вероятно, в большей степени, чем Сербер или Гелл-Манн, верил в физическую реальность таких частиц. Руководитель теоретического отдела ЦЕРН посчитал его препринты, в которых он излагал свои мысли, «полной чушью». Даже Гелл-Манн, высказывавший схожие идеи, считал их всего лишь математической моделью, позволяющей внести в схемы некий согласованный порядок. Для него они были мнемоническим приемом, а не реальными объектами. Гелл-Манн не соглашался с Цвейгом, верившим в физическую реальность кварков: «Модель реальных кварков – это для тупиц!»

Все это изменилось в конце 1960-х гг. благодаря результатам, полученным в экспериментах в Стэнфордском центре линейного ускорителя [47], в которых протоны бомбардировали электронами. В соответствии с анализом заряда протона предполагалось, что его размеры должны составлять порядка 10 –15м. Считалось, что протон должен быть однородно распределен по этой малой области. Однако, когда на сгусток протонов направили электроны, экспериментаторы были поражены полученной картиной рассеяния. Как и в случае удививших Резерфорда результатов бомбардировки атомов золота альфа-частицами, оказалось, что протон, как и атом, в основном состоит из пустого пространства.

Картина рассеяния соответствовала протону, состоящему из трех частиц меньшего размера. Как и в опытах Резерфорда, какой-нибудь электрон время от времени точно попадал в одну из этих трех точек и отражался обратно, в направлении источника электронов. Эксперимент, по-видимому, подтверждал представление о протоне, состоящем из трех кварков. Хотя никто никогда не видел отдельного кварка, картина рассеяния электронов указывала на то, что три более мелкие частицы, из которых образован протон, действительно существуют.

Выяснилось, что тупицы были правы. Верхний, нижний и странный кварки оказались не просто математическими фокусами, но элементами физической реальности. Затем выяснилось, что этих трех кварков недостаточно для всех новых частиц, и в конце концов у нас оказалось шесть кварков и соответствующие им античастицы. В дополнение к трем кваркам, окрещенным Гелл-Манном, появились еще три: очарованный кварк, истинный кварк и прелестный кварк [48].

Открытие этого способа упорядочения зверинца физических частиц при помощи математики симметрии стало одним из самых захватывающих открытий ХХ в. Увидеть, как все эти фундаментальные частицы выстраиваются в готовые схемы, уже существовавшие в математике симметрии, наверное, было совершенно восхитительно. Если бы я выбирал, какое физическое открытие хотел бы совершить, это открытие имело бы хорошие шансы на победу. Мне кажется, это было похоже на ощущения археолога, который находит узор, до сих пор встречавшийся только на другом конце света. Когда обнаруживаешь такие характерные узоры, становится очевидно, что между этими двумя культурами должна существовать какая-то связь.