Владилен Барашенков - Вселенная в электроне

Расчеты показали: если бы не большая масса промежуточных частиц, то такое взаимодействие по своим свойствам было бы очень похожим на электромагнитное. И вот трое физиков — Абдус Салам, Стив Вайнберг и Шелдон Глешоу — допустили, что фотон и тяжелые промежуточные частицы слабого взаимодействия — это одна и та же частица, только в различных «шубах». Разработанную ими теорию — ее стали называть «электрослабой», поскольку она, как частный случай, содержит электродинамику и старую теорию слабых взаимодействий — вскоре подтвердил эксперимент. В опытах на ускорителях были выловлены тяжелые воланчики электрослабого поля — три брата-мезона с массой, почти в сто раз большей протонной.

Создание теории электрослабого поля и экспериментальное открытие его тяжелых квантов было отмечено сразу двумя Нобелевскими премиями — самыми почетными международными наградами ученым.

В развитии науки бывают этапы, когда она летит вперед, как корабль с надутыми ветром парусами. Одна идея рождает другую, успех следует за успехом! Мощный прорыв в Страну Неизвестного! Не дожидаясь подхода тяжелой артиллерии эксперимента, теоретики атакуют опорные пункты, стараясь как можно дальше продвинуться в глубь неизвестного. В тылу остаются невыясненные детали, отложенные проблемы, болота сомнений. Все это потом, прежде нужно овладеть главными позициями, создать общую картину. О таком времени впоследствии вспоминают: «Золотой век»!

Такое счастливое время переживает теперь физика. Вдохновленные открытием электрослабого поля, теоретики с ходу сделали еще один шаг — объединили его с цветовым полем. Семейства фотона и трех его братьев-мезонов породнились с глюонами. Новая семья отвечает за перенос цвета и аромата, связывает кварковые и лептонные состояния. А самые смелые теоретики присоединили к объединенному полю еще и гравитацию — всемирное тяготение. Получилась чрезвычайно сложная теория, где на каждом шагу встречаются неожиданные пропасти, тупики и узкие скользкие тропы. Это область теоретических поисков и гипотез, полигон, где теоретики обкатывают свои творения. Здесь масса вопросов, мало ответов и много надежд.

Иногда это происходит случайно. Интересуются чем-то другим и неожиданно для себя натыкаются на новую, неизвестную ранее частицу. Как говорится, шел-шел и вдруг споткнулся о кошелек с золотом на дороге! Так был открыт позитрон, а в 50-х годах целое семейство странных частиц. Удивление физиков этим событием навечно запечатлено в их названии. Однако такое бывает редко. Как правило, частицы ищут по подсказке теоретиков, уже кое-что зная об их свойствах. Современный эксперимент слишком сложен и дорог, чтобы вслепую прочесывать дебри микромира, надеясь на удачу — авось, мол, повезет. Серьезный опыт сегодня стоит миллионы рублей и выполняется в течение нескольких лет. Это не пальба по площадям, а прицельный выстрел с закрытых позиций по цели с точно рассчитанными координатами.

Их расчет основан на теории, которую еще в прошлом веке создал французский математик Эварист Галуа. Ее основные положения он записал в ночь перед роковой дуэлью. На следующий день выстрел из пистолета оборвал жизнь двадцатилетнего ученого. Он умер, так и не узнав, что создал одну из самых замечательных математических теорий.

Галуа изучал симметрию среди элементов множеств. Что такое множество, теперь знают уже в начальной школе, а во времена Галуа этим занимались лишь немногие математики. Так вот, двадцатилетний Галуа вывел правила, на основании которых из элементов множества можно составить изолированные группы — семейства, члены которых симметричны. Когда совершается какое-либо преобразование множества (например, те, которые изучают в школе, — отражение, вращение, сдвиг и тому подобное), члены каждой из групп просто меняются между собой местами. Преобразование изменяет соотношения между элементами множества, а внутри семейств они остаются неизменными. Правилами Галуа сегодня и пользуются физики, чтобы находить семейства частиц — мультиплеты. Их члены — разные состояния одной и той же частицы. Как лампочка, вспыхивающая разным цветом, или что-то вроде кристалла, каждая грань которого — новое состояние. Именно так теоретики пришли к идее кварка. По правилам теории Галуа были вычислены мультиплеты адронов, и простейший из них был назван кварком.

Самое трудное — выявить симметрию. Обычно она сильно замаскирована расщеплением масс частиц. Здесь легко ошибиться. Поэтому всякий раз, когда в свойствах частиц удается найти новую симметрию, это бывает важным событием в физике. Последующее, как говорится, уже дело техники.

А когда параметры частицы определены, в игру вступает эксперимент. Бывает, что в рассчитанном месте частицу не находят, и теоретикам снова приходится садиться за расчеты: уточнять симметрию, вычислять новые мультиплеты, прикидывать, какой, легкой или тяжелой, должна быть частица, определять реакции, в которых вероятнее всего ее присутствие. Не зря говорят, что теоретик работает в основном на мусорную корзинку! Прежде чем будет получен результат, ему приходится опробовать и сопоставить кучу вариантов.

Теория в современной физике занимает исключительное место. Она строит мосты между островками разрозненных экспериментальных фактов и, выдвигая гипотезы, позволяет далеко уходить от них в область неизвестного.

Подсчитаем, сколько же теперь, после всех слияний и объединений, осталось у нас частиц.

Для построения адронов нужны три частицы: кварк, антикварк и глюон. Добавив к ним электрон, позитрон и фотон, построим все атомы (позитрон нужен, чтобы построить антивещество). Два тяжелых лептона и три нейтрино нужны для объяснения распадов частиц. Наконец, чтобы слить атомы в большие макроскопические тела, требуется еще квант поля тяготения — гравитон.

Итак, семь частиц-кирпичиков, столько же «антикирпичиков» и три склеивающих частички. Весь мир из семнадцати частиц!

В электрослабой теории число склеивающих частиц остается неизменным, так как три тяжелых брата-мезона и фотон — одна семья — частица. Зато число кирпичиков сокращается: электрон и нейтрино рассматриваются, как два состояния одной и той же частицы, то же для мю- и тау-мезонов. Вместо шести лептонов стало три. Однако для внутренней согласованности теории пришлось допустить, что в природе существует еще один тип частиц — несколько напоминающих пи-мезон, но подобно глюонам обладающих свойствами саморазмножения и самосклеивания. Их называют хиггсонами, по имени английского теоретика П. Хиггса, который первым начал изучать их свойства. Хотя хиггсоны еще не обнаружены на опыте, большинство физиков не сомневается в их существовании. В следующей главе мы увидим, что они играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной, и это еще больше повышает интерес к этим частицам.