Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Хотя теория цветов позволила добиться значительных успехов, не всё в ней нравилось Шелдону Глэшоу. В то время было известно четыре лептона, но лишь три кварка, и Глэшоу решил, что между двумя видами частиц должна существовать симметрия.

Пути в науку Глэшоу и Вайнберга во многом похожи. Оба они учились в одном классе в школе Бронкса, оба закончили Корнеллский университет, оба через несколько лет оказались в Гарварде. Несмотря на такое сходство биографий, люди они совсем разные – Глэшоу открыт и общителен, Вайнберг сдержан и замкнут.

Глэшоу считал, что должен быть четвёртый кварк со свойством, аналогичным странности. Он назвал новую характеристику очарованием, а соответствующий кварк – очарованным. Первые свидетельства существования нового кварка последовали почти одновременно из двух разных лабораторий. Первыми его обнаружила группа учёных из Брукхейвена под руководством Сэмьюэла Тинга. Но Тинг работал очень тщательно и потратил много времени на проверку полученного результата. Тем временем ту же частицу открыли на другом побережье, в Станфорде, учёные под руководством Бертона Рихтера. Обе группы обнаружили не сам очарованный кварк, а частицу, состоящую из очарованного кварка и его античастицы. Группа Тинга назвала её J , а группа Рихтера – ? (пси); сейчас её именуют ?/ J -частицей.

Итак, четвёртый кварк был обнаружен, но вскоре оказалось, что найден ещё один лептон, и для сохранения симметрии теперь требуется пятый кварк. Физики назвали его b -кварком, и вскоре удалось найти частицу, являющуюся комбинацией b -кварка и его антикварка. Эту частицу назвали ? (ипсилон). Так как без сомнений ей соответствует нейтрино, видимо, должен быть ещё один кварк, который назвали t (он был обнаружен в 1984 году). Итак, вот что мы имеем:

Лептоны (e ? e), (? ? ?), (? ? ?).

Кварки (u d),(s c), (b t).

Сколько их ещё, пока неизвестно, но, похоже, это почти всё. Из некоторых космологических данных следует, что предельное число для каждой группы – восемь.

Мы видим, что квантовую электродинамику удалось объединить с теорией слабого взаимодействия, создав теорию электрослабого взаимодействия. Следующим шагом, естественно, является включение квантовой хромодинамики, а затем и тяготения, которое пока стоит особняком. О таком полном объединении речь пойдёт в следующей главе. А пока зададимся другим вопросом: окончательна ли приведённая выше схема строения вещества из лептонов и кварков? Этот вопрос может показаться диким, ведь считается, что ни те, ни другие не имеют размеров, а кварк даже невозможно изолировать для детального исследования. Применительно к электрону удалось установить, что если он и имеет внутреннюю структуру, то размеры его составляющих меньше 10 -16см. До сих пор ни в одном эксперименте не удалось обнаружить структурные образования большего размера. Похоже также, что кварки нельзя изолировать, даже при невероятно больших энергиях, но отсюда не следует, что этого не удастся сделать никогда.

Если теория кварков и лептонов действительно так хороша (а из неё следуют буквально все наблюдаемые явления), то зачем искать какие-то ещё более глубинные структуры? Прежде всего потому, что частиц всё-таки довольно много. В первоначальной теории было только три кварка; теперь, с учётом цвета, их уже 18 плюс шесть лептонов, а возможно, и ещё больше. С таким количеством уже трудно справляться. Кроме того, при более внимательном анализе теории всплывает ряд нерешённых вопросов. Очевидно, в ней присутствуют необъяснённые симметрии. Например, все частицы как будто объединены в триплеты: три лептона с зарядом -1, три – с нулевым зарядом, три кварка с зарядом -1/3, три – с зарядом +2/3. Почему так? Возможно, ещё более существенны так называемые поколения частиц:

для лептонов (? e/e), ( ? / ? ), (? ?/ ? ).

для кварков( u / d ), ( c / s ), ( t / b ).

Все три поколения, если не принимать во внимание массу, идентичны. Другими словами ?-мезон ведёт себя точно так же, как вёл бы себя тяжёлый электрон, таково же поведение ещё более тяжёлой ?-частицы. Очарованный c -кварк похож на потяжелевший u -кварк. Какова взаимосвязь различных поколений? Не являются ли некоторые частицы возбуждёнными состояниями других? Можно задать и ещё более сложный вопрос: почему частицы имеют именно такую массу? Пока нет объяснения различию в массах частиц, а ведь отношение их масс весьма велико.

Остаются необъяснёнными значения зарядов. Все окрашенные частицы имеют заряд, кратный 1/3 заряда электрона, а частицы, не имеющие цвета, – кратный единице. Почему в природе реализована именно такая возможность? Ответа теория не даёт. Остаётся невыясненной связь электрического заряда с цветом. Наконец, есть ли вообще связь между кварками и лептонами? Не принадлежат ли они к одному семейству?

Более фундаментальная теория не должна отменять нынешнюю; она может при определённых условиях выходить за рамки прежних теорий, так же как теория относительности не укладывается в пределы ньютоновой теории или квантовая механика выходит за пределы классической теории при движении в глубь атома. Поскольку нынешняя теория хорошо работает на расстояниях до 10 -16см, естественно ожидать, что более глубокая структура должна проявляться в меньших масштабах, иначе её можно было бы наблюдать и сейчас.

В последние несколько лет предпринимались активные попытки построения новой теории. При этом, естественно, ставилась цель найти простое семейство, содержащее меньше частиц, чем сейчас; тогда кварки и лептоны состояли бы из более фундаментальных частиц, а второе и третье поколения описывались бы как возбуждённые состояния. Такую теорию предложили в 1974 году Салам и Пати. Свои фундаментальные частицы они назвали преонами; из них можно строить все кварки и лептоны. Однако их теорию никак нельзя назвать удовлетворительной: в ней, в частности, требуется не одно, а три различных семейства частиц. Другую теорию, также не свободную от недостатков, предложил Хейн Харари; в ней фундаментальные частицы называются ришонами.

Если такой подход окажется плодотворным и на самом деле удастся найти одно семейство, а то и единственную фундаментальную обменную частицу, это несомненно поможет приблизиться к нашей цели – построению единой теории строения Вселенной. В следующей главе мы обратимся к рассмотрению современных теорий объединения микромира, базирующихся на предположении о том, что кварки и лептоны относятся к одному семейству частиц.