Александр Потупа - Бег за бесконечностью

• Название: Бег за бесконечностью
• Автор: Александр Потупа
• Жанр: Научная Фантастика

---

Академик М. Марков в своем выступлении на одном из международных семинаров по физике высоких энергий провел такую любопытную аналогию. А что, если наше представление о четырех силах (сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных), которые пока рассматриваются как одинаково фундаментальные, - нечто похожее на древнее членение мира на четыре основные "стихии": землю, воду, воздух и огонь? Не лежит ли в основе правильных представлений единое рассмотрение всех известных сил?

Построение единой теории, вероятно, и представляет самую большую мечту физиков. Осуществится ли эта мечта - покажет будущее. До сих пор науке известны два великолепных примера построения единых теорий и, конечно же, множество других, менее удачных попыток. Эти примеры таковы.

Г.Галилей и И.Ньютон впервые проложили путь к единой трактовке земных и небесных явлений. То, что мушкетные пули падают с башни благодаря тем же силам, которые связывают Землю и другие планеты с Солнцем, было потрясающим открытием, которое позволило создать первую научную картину мира.

Второй пример относится к работам М. Фарадея и Дж. Максвелла, построивших единую теорию электрических и магнитных явлений, которые примерно до середины прошлого века рассматривались как различные эффекты.

После этого успеха предпринимались многочисленные попытки объединить "попарно" те или иные типы взаимодействий. Большую часть своей жизни потратил А. Эйнштейн на единую формулировку теории электромагнитных и гравитационных явлений. Большой путь по объединению теории сильных и слабых процессов проделал В. Гейзенберг.

Эти исследования принесли много интересного, но не достигли цели. Мы не станем проводить подробный анализ случившегося - это, пожалуй, отдельная и весьма глубокая тема. Однако можно обратить внимание на одно наглядное обстоятельство: все удачные попытки классиков прошлого отличает важнейшая особенность - они основаны не на общих соображениях о единстве природы, а на анализе и обобщении экспериментальных закономерностей. Поэтому именно огромные успехи адронной физики, опытное доказательство вмешательства адронных процессов в поведение частиц, которые не должны непосредственно участвовать в сильных взаимодействиях, длительное время давали основание для серьезного оптимизма

Если бы адроны всегда выглядели как сильно взаимодействующие рыхлые объекты конечного размера, то можно было бы надеяться, что именно они определят характер сил между любыми частицами на сколь угодно малых расстояниях. В этом случае основные трудности моделей слабых и электромагнитных взаимодействий были бы, по-видимому, устранены.

Но, как вы помните, оказалось, что и сами адроны включают в себя бесструктурные составляющие - кварки-партоны, то есть на очень малых расстояниях ведут себя подобно тем же лептонам. Взаимодействие кварков-партонов с уменьшением расстояний ослабевает - таковы свойства глюонов, переносчиков взаимодействия между кварками.

Ослабление сильных взаимодействий на малых расстояниях и появление точечных составляющих адронов приводят к множеству интересных следствий. Наиболее важное из них то, что теперь уже слабые и электромагнитные взаимодействия становятся на малых расстояниях очень велики - нет силы, которая устранила бы уже известные трудности традиционных моделей.

Однако физики нашли выход и в этой сложной ситуации. Еще в 1967 году американский теоретик С. Вайнберг заметил, что электродинамика и теория слабых взаимодействий, рассмотренные по отдельности, могут сталкиваться с совершенно непреодолимыми трудностями, но, объединяя эти модели, можно добиться удивительных успехов. Оказывается, свойства слабых и электромагнитных сил как бы взаимно устраняют трудности теории при переходе к очень малым расстояниям. В концепции С. Вайнберга силы, которые обычно связывают с особыми слабыми взаимодействиями, являются, по сути дела, одним из проявлений электромагнетизма. Это проявление не могло быть замечено классической физикой, поскольку речь идет о чрезвычайно малых расстояниях, порядка 10-17 сантиметра!

Наряду с фотоном взаимодействие теперь должны осуществлять уже знакомые нам заряженные дубль-вэ- и нейтральные зэт-мезоны. Но если фотон способен действовать на сколь угодно больших расстояниях, то эти мезоны действуют только на малых участках пространства. Очень важно, что все эти частицы оказываются проявлением некоторого калибровочного поля, и обусловленные ими силы вполне удовлетворительно ведут себя на очень малых расстояниях.

Таким образом, основные надежды современной теории связаны именно с программой объединения электромагнитных и слабых взаимодействий с последующим включением в эту схему кварков и глюонов. В принципе

эта программа позволяет построить непротиворечивую картину с оригинальным, но вполне удовлетворительным поведением сил на малых расстояниях.

Данная точка зрения кажется привлекательной, хотя бы потому, что в ней все действительно элементарные частицы выступают, в определенном смысле, на равной основе. Наблюдаемые адроны также равноправны между собой, но ни в коем случае не являются элементарными объектами и им не следует сопоставлять особые поля.

Как видите, в этой концепции отразились все лучшие достижения более ранних и, конечно, менее совершенных моделей. Даже острая критика теории поля, которую провели сторонники "ядерной демократии", не прошла даром!

ГЛАВНОЕ ВПЕРЕДИ

Если окинуть теперь общим взглядом развитие физики элементарных частиц, то можно, следуя методу историков или геологов, условно выделить четыре эры, или эпохи.

Физика подошла к открытию элементарных частиц с вполне выраженной атомистической концепцией. "Атомная эра" с принципиальной точки зрения окончилась с открытием электрона, различных атомных и ядерных излучений и самих атомных ядер. Эти открытия однозначно свидетельствовали о том, что атомы представляют собой сложные системы, а роли элементарных объектов перешли к электрону, фотону и протону.

В этот же период наступает новая "электронно-радиационная эра". Наиболее фундаментальной проблемой становится расшифровка природы электронов, естественной радиоактивности, атомных ядер.

Разумеется, не может идти речь о каких-то абсолютных границах. Между различными эрами существуют изрядные пересечения, когда одна лишь формируется, а другая еще не завершилась полностью. В принципе уже в самом начале века физики знали, что атомы состоят из электронов и каких-то положительно заряженных объектов, но для построения удовлетворительной модели атома пришлось проделать четвертьвековую экспериментальную и теоретическую работу, наконец, создать квантовую механику!

Основные принципы "электронно-радиационной эры" были созданы в конце 20-х - начале 30-х годов, когда квантовая механика была увязана с теорией электромагнетизма и возникла квантовая электродинамика - теория взаимодействия фотонов с электрическими зарядами. С другой стороны, была понята природа естественной радиоактивности. В этот период были открыты два новых типа взаимодействия - сильное и слабое, - которые еще нуждались в подробном и тщательном изучении.

Хотя хорошая версия квантовой электродинамики, позволяющая теоретически рассчитывать все эффекты взаимодействия на не слишком малых расстояниях, была построена только в конце 40-х годов, предвоенное десятилетие определенно характеризуется наступлением новой "ядерно-адронной эры". Собственно, это десятилетие стало преимущественно "ядерным": были открыты практически все основные свойства атомных ядер, и уже в 1942 году заработал первый ядерный реактор! По-видимому, "ядерно-адронная эра" продолжалась примерно до середины 60-х годов и в послевоенные два десятилетия была преимущественно "адронной". К этому времени зародились и окрепли представления о сложной природе адронов, была отчасти исследована их структура и построены первые варианты кварковой модели.

Конечно, в физике и до сих пор не существует полностью удовлетворительной теории адронов. Нельзя исключить даже того, что для последовательного описания структуры адронов потребуется серьезная перестройка наших представлений. Стоит, однако, отметить одну интересную историко-научную параллель - описание новых структур часто приводило к коренной перестройке физических взглядов. Так, построение модели устройства солнечной системы привело И. Ньютона к новой формулировке всей механики. Аналогичные задачи для атомов и атомных ядер потребовали построения квантовой механики. С чем же придется нам столкнуться на этот раз, выясняя устройство адронов?

С адронами далеко еще не все ясно, но последнее десятилетие определенно можно считать началом "кварк-лептонной эры". Проблема взаимодействия бесструктурных объектов явно выходит на передний план. Тут и новейшие достижения нейтринной физики, позволившие перейти к исследованию слабых взаимодействий при высоких энергиях, и важная задача описания межкварковых сил.