Вера Черногорова - Загадки микромира

Картина строения материи, добротно нарисованная тремя чистыми «красками»: электронной, протонной и нейтронной, — была так же проста, как детский рисунок.

Ее композиция, определенная строением атома и атомного ядра, без труда толковалась на основе квантовой механики. Казалось, что достаточно прорисовать еще несколько деталей, относящихся к ядру и составляющим его нуклонам, и картина будет завершена.

Однако открытие огромного мира элементарных частиц разрушило эту надежду. Вчерашний шедевр на самом деле оказался лишь предварительным этюдом к будущей картине строения материи.

Если просто нанести на него сотни найденных частиц материи, то, кроме ощущения чего-то непонятного, крайне запутанного и сложного, новая картина ничего не даст. Ясность возникнет лишь в том случае, если каждая частица займет в общей картине предназначенное ей место, когда видна будет взаимная связь между всеми отдельными элементами целого.

Но чем руководствоваться ученым в своих поисках, если нет даже самого примитивного «ранжира» среди элементарных частиц? Может быть, удастся разобраться в общественном положении граждан микромира, если найти принцип «элементарности» частиц?

Но современная теория по-прежнему говорит о точечной частице и в этом смысле не «видит» разницы между легким электроном и тяжелым резонансом. А разница эта прямо-таки бросалась в глаза.

Лептоны: электрон, мю-мезон и нейтрино — не участвуют в сильных взаимодействиях, у них не обнаружена внутренняя структура.

В огромной армии сильно взаимодействующих частиц: нуклонов, тяжелых мезонов, гиперонов, резонансов — иные законы и порядки. Большинство из них распадается на более легкие частицы. А найденная сложная электромагнитная структура у нуклонов и пи-мезонов еще более укрепила подозрения ученых в «неэлементарности» этих частиц. Но, не имея пока возможности доказать это, физики просто лишили их права называться элементарными и стали пользоваться термином «фундаментальные».

Если сравнить даты открытия разных частиц, то легко заметить, что число лептонов за последнее время почти не изменилось, а группа фундаментальных частиц сильно выросла, подобно непрерывно растущему действующему вулкану. Она увеличивается в основном за счет резонансов. Извергающийся поток обширной научной информации о все новых и новых частицах грозил затопить всю физику высоких энергий и лишить ориентировки в мире элементарных частиц.

Релятивистская квантовая теория, пытавшаяся описать мир элементарных частиц на основе нескольких аксиом и принципов, не в состоянии была ввести этот поток в определенное русло.

И тогда возникло новое теоретическое направление, следуя которому ученые нашли порядок в мире элементарных частиц, нашли скрытые в нем закономерности, опираясь только на известные из опыта свойства частиц, такие, как заряд, масса и т. д.

Составленный физиками список двух сотен элементарных кирпичиков материи напоминал гербарий человека, незнакомого с систематикой растений. Этот горе-ботаник, придавая абсолютное значение любым различиям между растениями, отвел бы отдельное место каждому из собранных им экспонатов.

Заслуга Карла Линнея, создателя систематики растений, состояла не только в выборе главных признаков принадлежности растений к определенному виду, но и в указании тех различий, которыми можно пренебречь при объединении видов в семейства, а семейств в отряды.

Но можно ли создать систематику элементарных частиц? Какой именно разницей между частицами можно пренебречь для объединения их в группы?

Физики, правда, уже знали, что в сильных взаимодействиях между протоном и нейтроном, протона с протоном и нейтрона с нейтроном нет никакой разницы. Между этими парами частиц действуют одинаковые силы.

Все эти экспериментальные факты и подсказали Гейзенбергу плодотворную идею. Он первый догадался, что если не обращать внимания на положительный электрический заряд протона и на отсутствие заряда у нейтрона, то их можно принять за одну и ту же частицу — ведь в ядерных взаимодействиях они совершенно идентичны.

Так же, как в сумерках все предметы кажутся одинаково серыми, так несколько тускнеет пестрота элементарных частиц, если не обращать внимания на электромагнитные отношения между ними. Для протона и нейтрона будет вполне достаточно одной «нуклонной» краски, а для трех пи-мезонов с разными электрическими зарядами — одной «пи-мезонной».

Рассчитавшаяся на «первый-второй» и на «первый-второй-третий» неупорядоченная «толпа» элементарных частиц приобрела уже некоторую структуру. И даже этот не такой уж большой шаг к систематике помог теоретикам. Они сразу же установили некоторые соотношения между вероятностями процессов, происходящих с участием частиц одной и той же группы.

Но в то время еще не были открыты «странные» частицы и резонансы. С их появлением «гербарий» элементарных частиц чудовищно распух. И вот тогда-то в 1960 году ученики Сакаты впервые доложили делегатам Международной конференции о гораздо более общей закономерности, существующей среди элементарных частиц. Анализируя модель своего учителя, они обнаружили нечто вроде периодического закона для фундаментальных кирпичиков материи. А год спустя, опираясь на это достижение, два физика — М. Гелл-Манн и Ю. Нееман — независимо друг от друга предложили систематику элементарных частиц, включив в нее и резонансы. На основе этой систематики удалось все сильно взаимодействующие частицы собрать в несколько больших групп.

М. Гелл-Манн дал своей систематике поэтичное название «восьмеричный путь». Почему восьмеричный? Да потому, что в нем производились действия над восемью квантовыми числами. А также потому, шутя говорил М. Гелл-Манн, что «она напоминает афоризм, приписываемый Будде: „Да, братья, существует святая истина, помогающая укротить страдания: это благородные восемь путей, именно: верные взгляды, верные намерения, верные речи, верные действия, верный образ жизни, верные попытки, верные заботы, верное сосредоточение“».

Предложенная М. Гелл-Манном и Ю. Нееманом классификация, без всякого сомнения, «укротила страдания» физиков. Хаос был ликвидирован. Однако вопрос, насколько «верна» эта попытка, продиктованная самыми «верными» намерениями, оставался открытым.