Кварки, протоны, Вселенная

И тем не менее некоторые из этих частиц могут оказаться родными братьями и сестрами. Хотя это пока — чистая теория, как шутят физики,— из области фантастики и, может быть, даже не совсем научной.

Несколько лет назад известный пакистанский физик Абдус Салам (он возглавляет Международный институт Теоретической физики в Триесте), и английский физик Джордж Пати выдвинули смелую гипотезу о том, что лептоны — не самостоятельные частицы, а всего лишь четвертое цветное состояние кварка. Их не смутило, что свойства частиц, объединенных ими в кварк, различаются столь сильно. Они полагали, что это всего-навсего результат влияния окружающего фона. Ведь согласно современным представлениям каждая частица играет роль как бы затравочного центра, вокруг которого образуется облако спонтанно рождающихся и быстро исчезающих частиц. Это облако экранирует частицу изменяет ее свойства. Такие заэкранированные, закутанные в облако частицы с измененными или, как говорят эффективными свойствами, мы всегда и наблюдаем в опытах. Невозможно ведь изолировать частицу от взаимодействия со средой, даже если это глубокий вакуум. Ничто на свете не существует само по себе, и «голый» квант в том числе.

Теперь мы подходим к самому трудному. Мы видим, что каждая микрочастица — это сложная корпускулярно-волновая структура. Ее плотность и состав зависят от заряда и других характеристик. Поэтому у одного состояния частицы одна масса, у другого — другая. Возникает разница и в силе взаимодействия. Состояния частицы «расщепляются» по массе и взаимодействию. Одни состояния становятся очень легкими, другие — тяжелыми, и исходное взаимодействие «голой» (абстракция!) частицы распадается на три — на слабое, электромагнитное и сильное.

Можно сказать, что в своих различных состояниях квант универсального «склеивающего» поля носит «шубы» различного покроя. В одних случаях «шуба» очень тяжелая, и тогда облачившийся в нее квант переносит взаимодействие лишь на ультрамалые расстояния. Далеко от центра частицы такие кванты почти не встречаются, и связанное с ними взаимодействие проявляется там очень слабо. В других случаях кванты набрасывают па себя легкую «шубу», и тогда они способны участвовать во взаимодействии на больших расстояниях.

Влияние фона спонтанно рождающихся частиц может быть настолько сильным, что на энергию связи и различные компенсирующие эффекты уходит целиком вся масса «голого» кванта. Надев «шубу», он становится «бестелесной» частицей с нулевой массой. Так возникает фотон и связанные с ним дальнодействующие электромагнитные силы.

Как не вспомнить здесь Корнея Чуковского, у которого «волки от испуга скушали друг друга», или известную шутку о том, как змея сама себя проглотила!

Почему так происходит — это сложный вопрос. Даже для специалистов-теоретиков здесь еще не все ясно. Можно только сказать, что в теории Салама и Пати для этого требуется, чтобы экранирующие облака кварков содержали шесть частиц, каждая из которых, в свою очередь, окутана облаком виртуальных частиц, состоящих из тех же частиц и... пар кварков и антикварков.

И опять, только на более глубоком «ультраэлементарном» уровне, мы приходим к самосогласованной, «зашнурованной» системе частиц, когда любая из них содержит в себе все сорта частиц, в том числе и себя самое. Складывается впечатление, что в этом проявляется какая-то общая закономерность, свойственная микромиру.

Что касается шести частиц, из которых сшита «шуба» кварка, то три из них — многокомпонентные глюоны. Из них «склеен» и фотон. В теории Салама и Пати фотон — не самостоятельная частица, а сложное «наложение», суперпозиция нескольких нейтральных состояний глюонов. Весьма неожиданный вывод! Три другие частицы в «шубе» кварка называются хиггсонами — по имени английского физика Хиггса, который первым начал разрабатывать теорию таких частиц. Это уж совсем необычные объекты даже для притерпевшихся ко всему теоретиков. От хиггсонов зависят свойства вакуума.

Оказывается, и вакуум, то есть, по нашим традиционным представлениям, ничто, пустота, может пребывать и различных состояниях, подобно тому как, скажем, углерод может быть в состоянии графита или в состоянии алмаза. Но как же это, ведь вакуум — это «чистое пространство»? Обстоятельный ответ на этот вопрос увел бы нас далеко в квантовую теорию поля — один из самых сложных разделов современной физики. Сейчас нам важно просто знать, что между состояниями вакуума нет переходов; во всяком случае, мы не знаем, как они выглядят, но знаем, что любое из этих состояний может служить основой Вселенной. А то или иное состояние вакуума как раз и определяют поля частиц Хиггса.

Мы не знаем пока ни массы, ни других свойств этих частиц — все это зависит от варианта пока еще не завершенной и развивающейся теории. Даже число хиггсонов изменяется от одного варианта теории к другому. Что требуется обязательно, так это то, чтобы эти частицы могли взаимодействовать между собой напрямую — без посредничества частиц других типов. Такое «самодействие» и образует основной «уровень мира»—его вакуум. Физикам это напоминает прозрачный эфемерный студень неодинаковой густоты.

Может быть, поля Хиггса являются всего лишь приблизительным, модельным описанием на слишком привычном для нас языке каких-то глубоких и еще не понятых нами свойств природы? Ведь все попытки найти реальные частицы Хиггса пока безрезультатны. Впрочем, здесь нам стоит остановиться, иначе мы рискуем запутаться в дебрях теоретических схем и гипотез тем более что они, прямо скажем, еще весьма неопределенны и неоднозначны.

Теория Салама и Пати была одной из самых первых — разведкой в неведомую еще область. Она дала общее представление о том, что нас там ожидает, обнаружила первые подводные камни, наметила пути. Но сегодня физики отдают предпочтение уже другим, более совершенным версиям. Гёте говаривал: смелые мысли подобны вырвавшимся вперед шашкам в игре. Они гибнут, но обеспечивают победу. Их можно сравнить также, с семенами, из которых вырастает дерево теории. Высказать верную идею часто означает — определить развитие науки на много лет вперед, хотя потом, с высоты развившейся теории, эта идея выглядит иногда чересчур наивной и простой.

В последние годы испробованы «на прочность» многие варианты теорий, объединяющих кварки и лептоны. Одни из них похожи на теорию Салама и Пати, другие, напротив, сильно отличаются от нее как числом частиц, тик и их свойствами. Но их всех объединяет идея о расщепленном взаимодействии. Пока трудно сказать, какой подход наилучший. Физикам предстоит еще очень много работы — горы расчетов, бесчисленная их проверка в опытах. Но, как говорится, лед тронулся, и перед нами псе отчетливее проступают контуры будущей теории.

Сто лет назад английский физик Джеймс Максвелл объединил три казавшиеся тогда совершенно не связанными между собой явления: свет, электричество и магнетизм. Возникла электромагнитная теория, принесшая нам и радио, и телевидение, и вычислительные машины, и прочие чудеса электроники. И вот теперь выясняется, что теория Максвелла — лишь частный случай более общей теории. Какие же фантастические возможности откроет нам новая теория!

Возможно, некоторым скептически настроенным читателям разговоры о новой теории покажутся чем-то вроде гадания на кофейной гуще. Какой смысл спорить о достоинствах того или иного варианта теории для частиц, которые сами еще под вопросом? Ведь ни кварков, ни глюонов никто никогда еще не видел. Физики, да и все ученые всегда говорили, что высший судья для них — опыт, но его-то как раз здесь и нет. Как же узнать, верна или нет новая теория?

Действительно, «великое объединение» взаимодействий — электромагнитного, слабого и сильного — долго не принимали всерьез даже многие из физиков. Масса темных мест, плохо обоснованных предложений и ничтожное количество экспериментальных данных. Все это было... Первый серьезный успех, заставивший поверить в новую теорию, был достигнут в начале 70-х годов, когда удалось найти согласующийся с опытом вариант теории, объединивший силы двух типов — электромагнитные и слабые. Одним из авторов этой теории был уже известный нам Абдус Салам, двое других — американцы Стив Вайнберг и Шелдон Глешоу. За это достижение несколько лет назад им была присуждена Нобелевская премия. В их теории взаимодействия передаются квантами, имеющими четыре различных состояния. В одном из них квант имеет нулевую массу — это всем хорошо известный фотон; три других состояния, наоборот, очень массивные — почти в 100 раз тяжелее протона. Обмен такими квантами, например, между электроном и нейтрино возможен лишь на очень маленьких расстояниях — 1000 раз меньше размеров протона. Там слабые взаимодействия становятся сильными.