Александр Филиппов - Многоликий солитон

• Название: Многоликий солитон
• Автор: Александр Филиппов
• Издательство: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит.
• Жанр: Физика
• Год: 1990
• ISBN: 5-02-014405-3

Одно из наиболее удивительных и красивых волновых явлений — образование уединенных волн, или солитонов, распространяющихся в виде импульсов неизменной формы и во многом подобных частицам. К солитонным явлениям относятся, например, волны цунами, нервные импульсы и др.

В новом издании (1-е изд. — 1985 г.) материал книги существенно переработан с учетом новейших достижений.

Для школьников старших классов, студентов, преподавателей.

---

Вернул частицы в теорию Г. А. Лоренц в своей «Теории электронов». Лоренцеву варианту теории электромагнитных явлений была суждена долгая жизнь. Теория электронов привела к созданию теории относительности. Ее применение к атомам породило квантовую механику, а впоследствии и квантовую электродинамику (в которой квантованию подвергались не только уровни энергии атомов, но и само электромагнитное поле). Даже квантование электронного поля (электроны и позитроны — кванты этого поля) не потребовало принципиальных изменений в картине мира Максвелла—Лоренца. Атомы состоят из ядер и электронов, связанных электромагнитными взаимодействиями. Силы, связывающие атомы в молекулы, также удалось объяснить в рамках квантовой механики.

Правда, атомные ядра оказались более сложными объектами, чем точечные, бесструктурные (элементарные) электроны, но постепенно выяснилось, что они состоят из протонов и нейтронов, которые также можно считать элементарными. Эта простая и стройная картина осложнялась тем обстоятельством, что электромагнитные силы не могли связать нейтроны и протоны в ядрах. Все попытки найти объяснение ядерных сил, «не измышляя» гипотез, неизменно терпели неудачу, и в 1935 г. молодой японский физик Хидеки Юкава сделал смелый шаг — он предположил, что существует переносчик ядерного взаимодействия, который он называл мезоном. Мезон был открыт на опыте лишь в 1947 г., но стройная концепция Юкавы, объяснявшая важнейшие факты физики атомного ядра, быстро завоевала признание. Появилось новое, ядерное взаимодействие, в сто-тысячу раз более сильное, чем электромагнитное и действующее на очень малых расстояниях, порядка 10-13 см. (Радиус действия сил, переносимых частицей с массой m, равен комптоновской длине волны /mс, масса мезона Юкавы, обычно называемого π-мезоном, равна 2,5·10-25 г.)

В 1934 г. Э. Ферми ввел в теорию еще одно взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад нейтрона. Оно намного слабее электромагнитного и его радиус действия меньше 10-15 см. Первоначально это взаимодействие мыслилось как «контактное», с нулевым радиусом действия. Постепенно, однако, выяснилось, что при нулевом радиусе действия в теории неизбежно возникают внутренние противоречия и теоретики начали размышлять о возможных переносчиках слабого взаимодействия — «слабых» мезонах с большой массой, определяющей малый радиус действия слабых сил. Тем временем количество элементарных частиц, открытых на ускорителях, быстро возрастало. Увеличивалось и число разнообразных процессов с их участием. Однако во всех процессах просматривались важные закономерности.

Все процессы удавалось разделить на три группы: сильные, слабые и электромагнитные. Существенное различие между ними проявлялось не только в силе и радиусе взаимодействия, но и в том, что электромагнитные и слабые взаимодействия оказались «универсальными» в том смысле, что между различными процессами взаимодействий и взаимных превращений частиц удавалось находить простые соотношении (симметрии). Между сильными процессами также существовали некоторые соотношения симметрии, но они, как правило, были разрушены до такой степени, что об универсальности не было и речи. Возникла таким образом, гипотеза, что слабое взаимодействие устроено подобно электромагнитному, но только «слабые фотоны» — их назвали W-мезонами (W — от англ. weak, т. е. слабый) — весьма массивны (чтобы объяснить короткодействие слабых сил) и электрически заряжены. Позднее для объяснения универсальности пришлось добавить и нейтральный «слабый фотон», но это многим не нравилось, так как для объяснения наблюдаемых данных можно было обойтись заряженными W-мезонами. Несмотря на некоторые теоретические трудности таких теорий слабого взаимодействия, они получили довольно широкое признание.

Сложнее обстояло дело с сильными взаимодействиями. Их также пытались устроить наподобие электромагнитных взаимодействий, но с «сильными фотонами» (массивными и заряженными), однако это не привело к успеху до тех пор, пока М. Гелл-Манн и Г. Цвейг не изобрели кварки. Слово «изобрели» по отношению к кваркам вполне уместно, так как они не наблюдались на опыте, и существуют весьма серьезные основания думать, что они вообще ненаблюдаемы, никогда не появляются в свободном состоянии. Сначала думали, что кварки просто настолько массивны, что их нельзя получить на современных ускорителях. Позднее, однако, была предложена теория сильного взаимодействия, весьма похожая на электродинамику, но более сложная, в которой силы, связывающие кварки, при их удалении друг от друга настолько быстро нарастают, что кварки никогда не могут разлететься. В этой теории кварки и мезоны переносящие взаимодействие (их называют глюонами, от английского слова glue, т. е. клей), обладают неким новым зарядом, который назвали «цветом» (в связи с тем, что этот заряд может принимать три различных значения). Глюоны, подобно фотонам, не имеют массы, но сильно взаимодействуют между собой. По этой причине описывающие их уравнения нелинейны, это — уже упоминавшиеся уравнения Янга—Миллса. Теория кварков и глюонов называется квантовой хромодинамикой (КХД). Строго говоря, невозможность наблюдения кварков и глюонов пока не доказана, но весьма правдоподобна, мы обсудим это чуть позже.

Из-за того что «слабые» мезоны массивны, слабое взаимодействие казалось не очень похожим на электромагнитное. Тем не менее С. Вайнбергу, Ш. Глэшоу и А. Саламу удалось объединить его с электромагнитным с помощью все той же теории Янга—Миллса. Теория объединенного электромагнитно-слабого взаимодействия блестяще подтвердилась — в экспериментах на ускорителях были открыты заряженные и нейтральные «слабые фотоны». Заряженные называют W-бозонами, а нейтральные — это Z-бозон и фотон (термин «бозон» напоминает, что эти частицы не состоят из кварков, мезонами обычно теперь называют связанные состояния кварков и антикварков). В этой теории естественно объясняется интенсивность, радиус действия и другие свойства слабого взаимодействия. При этом на малых расстояниях, меньших комптоновской длины волны W- и Z-бозонов, 10-16 см, слабое и электромагнитное взаимодействия неразличимы, а на больших расстояниях «выживает» лишь электродинамика Максвелла—Лоренца.

Естественно возникла мысль, что на еще меньших расстояниях возможно объединение всех трех взаимодействий. Оказалось, однако, что эти расстояния не просто малы, а фантастически малы, меньше 10-28 см. Проникнуть на столь малые расстояния с помощью ускорителей невозможно. Доступны проверке лишь некоторые следствия таких теорий, например упоминавшееся выше предсказание распада протона и объяснение происхождения электромагнитно-слабого взаимодействия. В этих теориях, называемых теориями Великого объединения (ТВО), предсказываются также весьма необычные гигантские солитоны — космические струны, представляющие собой тонкие вихревые трубки, длина которых сравнима с размером галактики. Эти трубки похожи на абрикосовские вихри, но внутри них сосредоточены другие поля.

Некоторые предсказания ТВО оправдались; ясно, что теоретическая мысль движется в правильном направлении. Однако в ТВО есть много внутренних проблем, а главное, совершенно в стороне осталось гравитационное взаимодействие, без которого система мира не может быть полной. Во всех описанных теориях, объединенных в ТВО, вещество существует в виде фермионов (кварки, лептоны), а взаимодействие переносится бозонами Янга—Миллса (глюоны, W- и Z-бозоны). Теория же гравитации устроена совершенно по-другому, так как переносчики гравитационного взаимодействия не похожи на бозоны Янга—Миллса (понять это можно, вспомнив, что не существует гравитационного заряда, а значит, и столь любимой фантастами антигравитации). На первый взгляд, никакой возможности включить в единую схему гравитацию не видно. Однако теоретики ХХ в. не менее изобретательны, чем их великие предшественники. Возможный выход из, по-видимому, без выходной ситуации нашелся.

Еще в начале этого столетия знакомый нам Дж. Дж. Томсон пытался построить довольно необычную модель взаимодействия электронов. По его мысли, между движущимися элементарными зарядами вытягивается нить, внутри которой сосредоточено электрическое и магнитное поле. Вне этой нити электромагнитное поле равно нулю. Нить может колебаться и вытягиваться, энергия передается колебаниями нити. Он и его последователи безуспешно пытались найти соответствующие решения уравнений Максвелла. Сегодня ясно, почему это не удалось. В сущности, была сделана попытка получить абрикосовский вихрь в вакууме. Но для образования такого вихря «вакуум» должен обладать весьма сложными свойствами, он должен быть похож на сверхпроводник второго рода для электрических и магнитных зарядов.