Маргарита Рютова-Кемоклидзе - Квантовый возраст

В 1964 г. Гелл-Маном и Цвейгом была предложена гипотеза, согласно которой все адроны состоят из кварков: барионы — из трех кварков, мезоны — из кварка и антикварка. Кварковая схема оказалась очень удобной, а сама ситуация напоминала успешное объяснение всех свойств различных элементов таблицы Менделеева на языке трех частиц. Сначала и кварков было три. «Три кварка для мастера Марка», — это из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Оттуда и был извлечен Гелл-Маном термин «кварк». Что означает «кварк», никто не знает и знать не может, потому что слово это придумал Джойс, хотя и пишут сейчас иногда, что это какой-то сорт то ли простокваши, то ли глины. Это неважно. Важно, что кварки сегодня считаются фундаментальными частицами. Экспериментально измерены их заряды, массы и спин. Экспериментально было подтверждено существование предсказанного теорией четвертого кварка, экспериментально был обнаружен пятый кварк. Теоретики считают, что должен быть еще и шестой кварк, но он пока фигурирует со знаком вопроса. Правда, название он получил самое надежное: истинный.

Все кварки, так же как и лептоны, разбиты на три пары (названия, полученные кварками, хотя и имеют свою историю, но главным образом являются продуктом произвола): верхний u (+ 2/ 3) и нижний d (– 1/ 3), очарованный с (+ 2/ 3) и странный s (– 1/ 3), истинный t (+ 2/ 3) и красивый b (– 1/ 3). Кварки имеют полуцелый спин и несут дробный электрический заряд. В скобках рядом с обозначениями кварков стоит величина заряда. Из этих шести кварков строятся все адроны. Например, нейтрон состоит из одного u -кварка и двух d -кварков и читается как udd , протон — как duu.

Как заряды и массы, так и все остальные квантовые характеристики адронов, получающиеся в кварковой схеме, совпадают с соответствующими величинами, полученными из экспериментов. Но при таком построении мы сталкиваемся с одной важной проблемой. Дело в том, что для всех частиц с полуцелым спином справедлив принцип запрета Паули, который всем частицам с полуцелым спином, так же как и электрону, для которого он был введен, запрещает находиться в одном и том же состоянии. Так что два d -кварка, входящие в состав нейтрона, например, должны отличаться друг от друга каким-то свойством, которого мы не знаем. Отметим, что дело не только в принципе Паули. Введение состояний по новому свойству имеет и другие серьезные причины. Оказалось, что для составления всего многообразия элементарных частиц достаточно всего трех различных состояний по новому свойству. Это свойство было названо «цветом». Таким образом, кварки, кроме электрического заряда, должны нести еще «цветовой» заряд. По аналогии с тремя основными цветами спектра, воспринимаемыми глазом, эти три различные состояния были окрашены в «красный», «зеленый» и «голубой» цвета. Так что кварков оказалось не шесть, а 18; каждый из шести кварков может быть красным, зеленым и голубым. Цветовые заряды в адронах комбинируются так, чтобы адроны оставались в смысле цветового заряда нейтральными, т. е. белыми.

Мы привели очень поверхностную схему. В действительности все гораздо сложнее. Так или иначе, на сегодняшний день фундаментальными составляющими материи принято считать 24 частицы: шесть лептонов и 18 кварков.

В Москве есть замечательная группа молодых художников. У каждого из них своя манера письма, своя тема. Объединяет их плакат. Плакат — удивительное искусство, очень сложное, требующее от художника особого таланта. Плакат — это крик. А как изобразить крик, чтобы он брал за живое, а не раздражал? У этих художников есть плакат на тему «Природа и мы»: на холсте изображен тигр — только его голова — с прямым взглядом. Выписан каждый волосок, каждая деталь так, что трудно отличить картину от цветной фотографии. Внизу крупными плакатными буквами написано: В СТРАНЕ ОСТАЛОСЬ 24 ТИГРА.

Двадцать четыре тигра — это угрожающе мало. Двадцать четыре фундаментальных частицы — много. Такое большое число «кирпичиков», из которых должно быть сложено все живое и неживое, вызывает естественную тревогу: природа не может быть такой сложной. А что, если и эти 24 частицы обладают внутренней структурой и состоят из каких-то пречастиц, которых тоже окажется много и они тоже окажутся составными? Прямо как душа Кощея Бессмертного: на краю света белого есть море-океан, на море на океане есть остров, на том острове дуб стоит, под дубом сундук зарыт, в сундуке — заяц, в зайце — утка, в утке — яйцо, в яйце — желток, в желтке — душа Кощея Бессмертного. А в каком она виде, и сам Кощей не знает, знает только, что там его жизненная сила и, доберись до нее кто-нибудь, не станет Кощея.

И возникает вопрос: а может, нет этих самых «неделимых» частиц? Может быть, нет той самой одной, двух или трех частиц, из которых мы хотим все построить? Может быть, частиц много и они все «делимы»? Может быть, не частиц мало, а мало сил , которые действуют между различными составляющими материи? Все это и есть предел — теория, которая объединила бы все элементарные частицы со всеми силами, существующими в природе. И тогда можно было бы получить окончательный ответ на вопрос: из чего сделана материя: мы с вами, Земля и Вселенная. Ответ бы выглядел просто: в природе существует Одна Сила. Она одна и ответственна за все: за Солнечную систему; за то, что горят звезды; за то, что Вселенная расширяется так, что галактики разлетаются со страшными скоростями; за то, что подсолнух поворачивается за солнцем; за то, что идут химические реакции; за то, что после первого трудного года ребенок зачинает говорить.

Конечно, понятие «одна сила» — грубое и нереальное. Речь идет в действительности о поисках единой теории, которая могла бы описать все виды взаимодействий, существующие в природе, единой теории, из которой можно было бы получить правильные законы (совершенно различные) для различных процессов, будь то процессы, происходящие в мире элементарных частиц, или процессы в простых опытах школьной лаборатории.

Наиболее важной характеристикой различных процессов является энергия, при которой происходят те или иные процессы. Мы знаем, что в нормальном состоянии в большинстве своем вещества находятся в твердом состоянии. При нагревании твердого тела (т. е. при затрате определенной энергии) его можно расплавить. При затрате большей энергии жидкость можно довести до кипения и, таким образом, перевести вещество в газообразное состояние. В газе мы имеем дело с отдельными молекулами. Повышая дальше температуру (затрачивая больше энергии), можно разбить молекулы на атомы, ионизовать атомы — отделить от них электроны. Для того чтобы ионизовать, например, атом водорода, т. е. отнять у единственного протона его единственный электрон, требуется энергия 13,5 электронвольт (эВ). Соответствующая этой энергии температура порядка 150 000 градусов. При исследовании ядра и элементарных частиц энергии достигают очень больших величин, поэтому мы будем пользоваться гигаэлектронвольтами (1 ГэВ = 10 9 эВ), в шкале температур это четырнадцатизначное число. В зависимости от того, с какими энергиями, с каким состоянием вещества мы имеем дело, проявляются различные свойства материи, проявляется действие различных сил природы.