Рассеяние фотона на электроне

На рис. 5.11. изображена диаграмма Фейнмана для рассеяния фотона на электроне. Путь электрона обозначен прямой стрелкой, путь фотона – волнистой линией. Нижняя точка пересечения обозначает поглощение электрона фотоном, после чего через некоторое время он излучает новый фотон. Таким образом, в начале процесса имеется фотон и электрон, и в конце процесса также имеется фотон и электрон.

Поглощение и испускание фотона заряженными частицами отражает суть механизма электромагнитного взаимодействия. Электрон может испускать фотоны спонтанно, тут же поглощая их. Поскольку в отличие от обычных фотонов такие фотоны существуют недолгое время, они носят название виртуальных фотонов.

При движении электрона в атоме вокруг ядра он постоянно обменивается с ядром фотонами. Фотоны, испускаемые электроном, формируют его собственное электрическое поле, которая представлено как «шуба» виртуальных фотонов. «Шуба» не является чем-то застывшим – образующие ее кванты регулярно рождаются и поглощаются. Толщина «шубы» зависит от энергии поля, «шуба» пульсирует, то есть несущая ее частица проводит часть времени в облаченном, а часть – в голом состоянии. Электрическое поле частицы оказывает влияние на окружающий вакуум и стимулирует образование виртуальных пар частица-античастица. Это явление носит название поляризации вакуума. Электрон в вакууме притягивает виртуальные позитроны и отталкивает виртуальные электроны, электрон оказывается окруженным слоем позитронов из виртуальных пар, так что эффективный заряд электрона существенно изменяется. Возникает экранировка заряда, то есть его эффективное уменьшение.

е^– е^– е^–

\ | /

е⁺ е⁺ е⁺

е^– - е⁺ е^– е^– - е⁺

е⁺ е⁺ е⁺

/ | \

е^– е^– е^–

Рассеяние фотона на фотоне

В классической электродинамике электромагнитные волны рассматриваются как невзаимодействующие. В квантовой теории поля могут образовываться виртуальные электрон-позитронные пары, т. е. свет может рассеиваться на свете. Диаграмма на рис. 5.12. соответствует процессу взаимодействия фотонов посредством образования промежуточной электрон-позитронной пары. В начальном состоянии имеется два фотона. Один из них в точке 1 исчезает, образовав электрон-позитронную пару. В точке 2 второй фотон поглощается позитроном. Затем появляются конечные фотоны: один из них рождается в точке 4 виртуальным электроном, а другой возникает в результате аннигиляции пары в точке 3.

Квантовая хромодинамика

Квантовая хромодинамика – это теория сильного взаимодействия, которое ответственно за силы действующие в атомных ядрах. Сильное взаимодействие является короткодействующим и осуществляется на малых расстояниях – 10^–13 см. Квантовая хромодинамика изучает и позволяет объяснить основные свойства протонов, нейтонов и других частиц, называемых адронами.

В основе квантовой хромодинамики лежит кварковая модель – представление, что все адроны состоят из кварков, которые и считаются по настоящему элементарными частицами. Впервые гипотеза существования кварков была выдвинута Гелл-Маном в 1964 г. Согласно этой модели адроны не являются элементарными частицами, а состоят из других частиц – кварков, которые удерживаются вместе с помощью частиц-переносчиков взаимодействия — глюонов (от английского glue – клей). Мезон состоят из пары кварк-антикварк, а барионы из трех кварков. Кварки находятся на расстоянии порядка 10^–13 см. Кварки бывают различных типов (ароматов) и являются частицами с полуцелым спином, т.е. фермионами и, следовательно, их распределение должно подчиняться принципу запрета Паули. То есть в состав одной кварковой системы могут входить частицы с разными наборами квантовых чисел. Чтобы различать состояния кварков были введено квантовое число – ароматом кварка.

Основные характеристики кварков

Обозначение	Название сорта кварка [его аромат]	Электрический заряд	Барионный заряд
d	down - вниз*	-1/3	+1/3
u	up - вверх*	+2/3	+1/3
s	strange - странный [странность, S = -1]	-1/3	+1/3
c	charm - очарованный [очарование, C = +1]	+2/3	+1/3
b	beauty - красивый (прелестный) [красота (прелесть), В =+1]	-1/3	+1/3
t	top - верхний**, truth - правдивый	+2/3	+1/3

Нуклоны и π-мезоны состоят из u и d кварков, например, протон состоит из p = uud кварков, нейтрон n = udd; в состав странных частиц входит s кварк, очарованные частицы содержат c кварки, а ипсилон частицы содержат b кварки.

Поскольку в состав частиц могут входить несколько кварков одного аромата, то чтобы удовлетворить принципу запрета Паули, было введено еще одно квантовое число – цвет. Кварк каждого «аромата» может обладать 3-мя цветовыми зарядами: «красным», «синим», «желтым». Противоположные заряды соответственно называются «антикрасным», «антисиним», «антижелтым». Суммарный цвет частицы должен быть «белым» или бесцветным. Взаимодействие кварков происходит за счёт обмена квантами цветового поля – глюонами, которые также несут различные цвета, но не чистые, а смешанные. Когда кварк испускает глюон, его цвет изменяется в зависимости от цвета глюона. Например, красный кварк, испуская красно-антисиний глюон, превращается в синий.

Поляризация вакуума

Любая частица в вакууме вызывает явление поляризации вакуума, основанное на рождении виртуальных пар. Аналогичное явление поляризации вакуума имеет место и в случае кварков. Кварк вызывает рождение пар глюонов, глюоны поляризуют глюонный вакуум, но это приводит не к экранировке как в случае электрического заряда, а к антиэкранировке цветового заряда. Цветовой заряд уменьшается внутри облака, то есть на бесконечно малых расстояниях между кварками цветовое взаимодействие выключается (ассимптотическая свобода). Увеличение расстояния приводит к росту сил взаимодействия с расстоянием, что не позволяет кваркам отдаляться друг от друга.

Антиэкранировка цветового заряда приводит к тому, что кварк нельзя получить в свободном виде (проблема конфайнмента (confirment) —невылетания кварков из адронов). О существовании кварков можно судить на основе косвенных экспериментов, в которых исследуется внутренняя структура адронов. При рассеивании на адронах частиц высоких энергий на экране выделяются области повышенной плотности, которые и были интерпретированы как кварки. Однако ни кому не удавалось наблюдать свободный кварк. Кварки «пленены» в адронах и никогда не удаляются друг от друга больше, чем на расстояние 10^–13 см. В то же время на более близких расстояниях они ведут себя как свободные частицы и это явление известно под названием «ассимптотическая свобода».

Слабое взаимодействие

Толчком для открытия слабого взаимодействия послужил процесс β-распада ядра, зарегистрированный в 1896 г. А. Беккерелем. При β-распаде нейтрон превращается в протон с образованием электрона и антинейтрино: n → p + e ^-+ _e. При этом на единицу увеличивается заряд ядра атома Z → Z +1, а атомный вес остается прежним. В 1934 г. Ферми создал теорию β-распада и для объяснения явления ввел гипотезу о существовании особого типа короткодействующих сил: слабого взаимодействия, действующего на расстояниях меньше чем 10^–15.

Слабое взаимодействие – один из четырех видов фундаментальных взаимодействий, оно слабее сильного и электромагнитного, но гораздо сильнее гравитационного на коротких расстояниях. Об интенсивности взаимодействий можно судить по скорости процессов, которые оно вызывает. Обычно сравнивают между собой скорости процессов при значениях энергии около 1 ГэВ. При таких энергиях процесс обусловленный

сильным взаимодействием происходит за время порядка 10^–24 сек.;

электромагнитным 10^–21 сек.;

слабым 10^–10 сек.

То есть в мире элементарных частиц процессы с участием слабого взаимодействия протекают сравнительно медленно. Слабое взаимодействие обладает очень малым радиусом действия – около 2*10^–16 см. На расстояниях между ядрами двух соседних атомов в молекуле 10^–8 см слабое взаимодействие чрезвычайно мало, оно гораздо слабее не только электромагнитного, но и гравитационного взаимодействия. На расстояниях <<2*10^{-16 см слабое и электромагнитное взаимодействие имеют практически одинаковую интенсивность. Это совпадение натолкнуло на мысль, что при высоких энергиях эти два взаимодействия представляют собой единое электрослабое взаимодействие. Теория электрослабого взаимодействия была разработана Саламом и Вайнбергом в 1967 г. Эта теория рассматривает переносчики электромагнитного взаимодействия – фотоны и переносчики слабого взаимодействия –} Z, W бозоны как кванты единого калибровочного поля.

Слабое взаимодействие играет очень важную роль в природе, оно ответственно за смену ароматов кварками и превращает заряженные лептоны в нейтрино. Именно благодаря слабому взаимодействию осуществляются ядерные реакции в звездах. Если бы не было слабого взаимодействия, были бы стабильны и распространены мюоны, π-мезоны, странные и очарованные частицы, которые распадаются в результате слабого взаимодействия. Слабое взаимодействие ответственно за все процессы, происходящие с участием нейтрино, нейтрино обладают только слабым и гравитационным взаимодействием.

Слабое взаимодействие описывается теорией промежуточных векторных бозонов, которая постулирует существование переносчиков слабого взаимодействия – Z⁰, W⁺ и W–^- бозонов. Первый из них – электрически нейтральный, а обмен двумя другими изменяет электрический заряд взаимодействующих частиц.

СРТ-симметрия

Сильное и электромагнитное взаимодействия инвариантны относительно некоторых преобразований. Такими преобразованиями являются одновременное отражение всех пространственных осей (Р) и обращения времени (Т). РТ-симметрия, означает инвариантность относительно зеркального отражение системы пространственных координат и обратного отсчета времени. Но слабое взаимодействие не сохраняет инвариантность относительно этих двух операций. Слабое взаимодействие инвариантно относительно СРТ – симметрии, то есть если кроме этих двух операций провести еще одну - операцию зарядового сопряжения (С): замены всех частиц на античастицы.

Слабое взаимодействие не подчиняется ряду запретов, характерных для сильного и электромагнитного взаимодействия. Например, сильное и электромагнитное взаимодействие обладают зеркальной симметрией, которая заключается в том, что любые процессы, являющиеся зеркальным отражением друг друга протекают с одинаковой вероятностью. При слабом взаимодействии нарушается пространственная симметрия. Например, спин электронов при β-распаде направлен преимущественно против их импульса, то есть вероятность испускания электрона со спином, направленным по импульсу существенно меньше, чем противоположно импульсу

М.Д.Ахундов, Л.Б.Баженов

 

 

ФИЛОСОФСКОЕ ПОНЯТИЕ МAТЕРИИ И РAЗВИТИЕ

ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТAРНЫХ ЧAСТИЦ*

 

Проблема материи на протяжении тысячелетий стояла в центре внимания как

философской, так и (с момента ее появления) естественнонаучной мысли. От первых наивных представлений об элементах и стихиях вплоть до современных представлений о кварках, глюонах, суперструнах и т.д. - вот путь, пройденный человеческим познанием. Все более и более глубокое проникновение в строение окружающего нас мира неизменно было связано с философским анализом проблемы материи.

Вплоть до конца ХIХ века концепция первоматерии не вступала в противоречие с

данными естествознания. Но на рубеже ХIХ-ХХ веков казалось бы уловленная физиками первоматерия (или материя как таковая) стала ускользать из их рук. Популярной стала фраза об исчезновении материи. Это была совершенно новая ситуация. Физика, которая всегда рассматривалась как оплот и фундамент материалистической философии, вдруг объявила об исчезновении материи.

 

Диалектика развития физического понятия

материи

Естествознание обратилось к исследованию глубинной структуры материи лишь в ХХ веке,в рамках бурно развивающейся физики элементарных частиц, которую часто называют атомистикой ХХ века. Это название сразу вызывает ассоциации с атомистикой Демокрита или атомистикой Ньютона. Причем, на долгом пути от Демокрита к Ньютону мы можем достаточно четко проследить концептуальную преемственность в развитии атомистики.

Например, если у Демокрита бесконечные с своем разнообразии (по величине, форме и порядку) и неделимые (абсолютно плотные и не содержащие в себе пустоты) атомы носились в бесконечной пустоте и, соединяясь различными способами с помощью крючков, образовывали все многообразие объектов и явлений реального мира, то у Ньютона уточняется способ связи уже унифицированных атомов (материальных аналоговматематических бесконечно малых или дифференциалов), и на смену "наивным"

крючкам античности приходит сила гравитации, которая объединяет всю Вселенную и

четко отражена в законе всемирного тяготения. Эти уточнения не затронули

основы атомистической концепции, - в основе мира лежит полное и пустое, бытие и небытие (которое существует не менее реально, чем бытие). Плотные атомы двигаются в бестелесной пустоте, которая в ньютоновской механике трансформировалась в абсолютное пространство. Это абсолютное пространство играет в классической механике очень важную и новую роль - роль привилегированной универсальной инерциальной системы отсчета, но при этом оно не перестает быть пустотой, которая была усмотрена умозрением великого Абдерита более двух с половиной тысяч лет назад.

В рамках этой атомистической концепции строения материи была развита классическая механика, которая достигла огромных успехов в описании природы. Более того, механика стала трактоваться как некая единственно фундаментальная наука: все сводилось, редуцировалось к механике, к построению механических моделей, к решению механических уравнений. Вселенная предстала как гигантский механизм.

С развитием электромагнитной картины мира в физике достойное место заняла и

континуалистическая концепция строения материи. Но она выступила не как отрицание атомистической концепции вообще, а как отрицание ее лишь механической конкретной модели. Более того, целый ряд экспериментальных и теоретических исследований показал, что в природе существуют дискретные элементарные объекты в рамках электромагнитной картины мира. Атомизм был возрожден на более глубоком уровне строения материи - само электричество оказалось "атомистичным", состоящим из электронов ("крайне малые электрически заряженные частички").

В конце ХIХ - начале ХХ столетий атомистическая концепция строения материи

получила очень существенное развитие, которое привело к очень странным

результатам, находящимся в поразительном противоречии с исходными представлениями атомистики.

Нечто похожее уже произошло с одним из начал атомистической доктрины:

первоначальное представление о пространстве как пустоте постепенно трансформировалось (в оптике) в свою противоположность, и эфир (как ипостась абсолютного пространства Ньютона) стали рассматривать как твердое тело.

Теперь аналогичная история, только с обратным знаком, произошла с самим атомом.

В 1911 г. Э.Резерфорд показал, что положительное электричество в атомах

сконцентрировано в неких частицах, а не рассредоточено по всему атому. Атом

оказался не плотным биллиардным шаром, а некоей "солнечной системой" в миниатюре.

Главное в этой модели то, что масса атома сосредоточена в мельчайших частицах,

которые занимают ничтожную часть объема атома. Получается, что атом в основном

состоит из внутриатомной пустоты, что он пуст.

Во всяком случае, развитие физики продемонстрировало интересную тенденцию к

оборотничеству: пустой эфир может оказаться "твердым телом", а атом, хотя и является

изначальным синонимом твердости, может оказаться на поверку весьма эфемерным

образованием, почти пустотой. Но все это было лишь началом познания глубокой

диалектики в строении материи.

На повестке дня физики начала ХХ века встала проблема построения специальной

механики атомного мира. Если у Демокрита атомы сцеплялись крючками, у Ньютона они соединялись гравитационным притяжением (о природе которого сам Ньютон ничего определенного не знал), то в современной физике элементарные частицы взаимодействуют путем обмена квантами соответствующих полей. Построение квантовой механики дало возможность понять сложный мир атомов и навести там порядок. Но при этом выяснилось, что сами атомы совсем не являются некими первокирпичиками в структуре материи, а суть сложные динамические системы, составленные из различных элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов. Сложилась следующая ситуация: с одной стороны, существуют элементарные частицы, и они участвуют в различных взаимодействиях, а с другой - не существует какой-либо теории (или теорий), описывающей законы этого нового, более глубокого уровня структурной организации материи.

Физики попытались ликвидировать этот пробел, но натолкнулись на следующую

трудность: известных элементарных частиц - электронов, протонов, нейтронов и фотонов - вполне хватало для объяснения порядка в атомном мире (кстати, этого порядка удалось достичь лишь в начале 30-х годов, когда был обнаружен нейтрон, выяснена его роль в реакциях распада атомов и развита протон-нейтронная модель ядра Д.Д.Иваненко- В.Гейзенберга), но их катастрофически не хватало для наведения порядка непосредственно в мире элементарных частиц.

Для построения здания физики микромира известных четырех "кирпичиков" оказалось мало. Соответственно в физику стали постепенно, но со все нарастающей интенсивностью проникать новые элементарные частицы - сейчас различные "странные", "очарованные", "цветные" и т.д. элементарные частицы считают не единицами, а сотнями.

В этом процессе порождения новых элементарных частиц великую роль сыграли

законы сохранения и идеи симметрии, которые оказались глубоко взаимосвязанными

компонентами физического знания, а также соображения о единообразии механизмов различных физических взаимодействий микрообъектов.

По мере развития физики микромира непрерывно возрастает роль идей симметрии.

Следует учитывать, что математической основой современных теорий различных

фундаментальных физических взаимодействий являются соответствующие группы симметрий и их представления (что, конечно, не отрицает значимости исследований в рамках иных математических структур). Мы еще вернемся к этому вопросу позднее, а сейчас просто отметим, что плодотворность идеи симметрии в полной мере проявилась в первых же ее применениях в физике микромира - в этой области она привела к ряду принципиально новых представлений. Достаточно показателен пример с появлением в физике античастиц.

Уже простое объединение квантовой механики со специальной теорией относительности привело П.А.Дирака к выводу, что в природе должны существовать положительно заряженные антиподы электрона - они были названы позитронами и в дальнейшем экспериментально обнаружены.

Принципиальное значение этого открытия великолепно отразил В.Гейзенберг,

акцентируя внимание на роли идей симметрии: "При этом существенным было отнюдь не открытие еще одной, до того неизвестной частицы - было открыто еще множество частиц без сколько-нибудь серьезных последствий для оснований физики: существенным было открытие новой симметрии, сопряженности частиц - античастиц, тесно связанной с лоренцовой группой специальной теории относительности, а также с превращением кинетической энергии сталкивающихся частиц в массу покоя частиц и обратно"1.

В дальнейшем выяснилось, что и другие элементарные частицы обладают своими

"антидвойниками". Отличаются частицы и античастицы знаком заряда. Причем, если в электромагнитных взаимодействиях участвуют электрически заряженные частицы, то для других типов взаимодействий характерны свои специфические заряды (лептонный, барионный, др.). Элементарная частица может быть нейтральной в отношении одного взаимодействия, но "заряженной" - в отношении другого. Не менее важную роль в развитии физики микромира сыграли соображения о единообразии механизмов физических взаимодействий элементарных частиц.

Образцом для подражания послужила квантовая электродинамика, в рамках которой было выяснено, что взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью обмена фотонами. По этому рецепту постарались развить теории других типов взаимодействий, что потребовало введения в физику микромира новых обменных элементарных частиц - мезонов (Х.Юкава и др.).

Что же касается самих ядерных частиц - нуклонов, то они оказались всего лишь двумя

представителями огромного семейства сильно взаимодействующих частиц, число которых сегодня достигает нескольких сотен. Они объединены под общим названием адроны.

Нуклоны оказались всего лишь вершиной огромного адронного айсберга, которая

оказывается в сравнительно стабильном атомном мире, "под водой" расположена

основная часть, составленная из нестабильных, быстро распадающихся (время

жизни некоторых адронов составляет всего лишь 10-22с!) барионов, мезонов, гиперонов,

резонансов и др.

1 Гейзенберг В. Космическое излучение и

фундаментальные проблемы физики //

УФН. 1977. Т. 121, вып. 4. С. 670.

 

 

Если на заре атомного века было известно слишком мало частиц, чтобы можно было из них построить стройное здание физики микромира, то теперь этих "первокирпичиков" оказалось слишком много, и они столь разношерстны, что о постройке здания опять не могло идти и речи. Прежде всего, элементарные частицы следовало как-то классифицировать, а затем попытаться систематизировать в рамках соответствующих физических теорий.

Первоначальная классификация элементарных частиц началась, собственно говоря, еще в рамках квантовой механики. При попытках навести порядок в атомном мире, физики столкнулись с множеством трудностей, которые имели общее происхождение - их решение зависело от ответа на вопрос: почему в основном состоянии атома все электроны не занимают самой первой внутренней оболочки?

Что заставляет электроны рассредоточиваться по разным орбитам, что обусловливает характер заполнения каждой электронной оболочки атома? Решение было найдено В.Паули, который в 1925 г. сформулировал новый физический принцип -принцип запрета. Этот принцип запрещает двум электронам находиться в одном и том же квантовом состоянии (которое задается набором квантовых чисел). На их фоне заметно выделяются другие частицы, обладающие "общительным" характером, которые могут в любом состоянии находиться в любом количестве. Примером таких частиц является наш старый знакомый - фотон. Так произошла наиболее общая классификация элементарных частиц на «общительные" и "необщительные". Смысл этой классификации стал выясняться после того, как в том же 1925 г. Уленбек и Гаудсмит ввели представление о спине электрона. Не-

общительные частицы оказываются обладательницами полуцелых спинов и

подчиняются специальной статистике Ферми-Дирака. Эти частицы получили название фермионов. Что же касается общительных частиц с целочисленными спинами, то они подчиняются совершенно иной статистике Бозе-Эйнштейна и именуются бозонами.

Следующим шагом была попытка построить теории различных взаимодействий

элементарных частиц. Здесь следует учитывать, что само представление о

взаимодействии претерпело существенное изменение при переходе к физике микромира.

В различных взаимодействиях участвуют различные элементарные частицы, и они

обмениваются также различными промежуточными частицами, переносчиками

соответствующих взаимодействий. Однако при этом многообразии различий все же есть одно очень важное единство - все взаимодействия элементарных частиц обладают единым механизмом. Это обусловило попытки построения теорий различных взаимодействий по единому образцу.

Таким образцом послужила первая конкретная квантовополевая теория

электромагнитных взаимодействий элементарных частиц - квантовая

электродинамика. Квантовую электродинамику характеризует ряд очень важных

особенностей. Во-первых, в этой теории взаимодействие реализуется посредством

рождения и поглощения промежуточных квантов поля (фотонов) - переносчика

взаимодействия, которым является электромагнитное поле. Во-вторых, квантовая

электродинамика является локальной теорией, т.е. взаимодействие (рождение и поглощение) происходит в точке пространства-времени. В этой теории фигурируют точечные частицы, которые взаимодействуют в точке пространства-времени. В-третьих, квантовая электродинамика является перенормируемой теорией. Здесь же следует отметить, что эта теория существенно основывается на очень общей технике вычислений, называемой теорией возмущений. Создать такую теорию возмущений позволила разработка в начале

50-х годов Р.Фейнманом, Ю.Швингером, С.Томонагой и Ф.Дайсоном корректно

определенной процедуры перенормировки. Как выяснилось, среди всех возможных конкретных теорий, которые можно сформулировать в рамках квантово-полевой исследовательской программы, есть особый класс теорий, называемых перенормируемыми. В этих теориях преобразования конечного числа основных параметров (масса, заряд и др.) устраняют бесконечность во всех членах ряда теории возмущений сразу. Именно этим свойством обладает квантовая электродинамика.

Применение метода перенормировок привело к наивысшему во всей современной физике согласованию теории с экспериментом - с точностью 10-10.

В теории сильных взаимодействий ситуация была еще более сложной. Дело в том, что

константа связи для сильных (ядерных) взаимодействий оказалась больше единицы -

ее величина, полученная из анализа взаимодействий p - мезонов с нуклонами,

оказалась примерно равной 14. Таким образом, трудности возникали не на уровне

перенормировки, а на предшествующем этапе построения теории - не работала теория

возмущений3.

Вышеуказанные моменты определили различные возможные пути выхода из

затруднений локальной квантовой теории поля. Во-первых, можно было пойти по пути отказа от локальности взаимодействий и перейти к рассмотрению протяженных частиц - так строились нелокальные теории поля. Более того, попытались даже ревизовать представление о непрерывности пространства-времени, ибо введение в физику микромира "кванта" пространства-времени механически устраняет расходимости.

Во-вторых, были предприняты попытки выйти вообще за рамки квантово-полевой

исследовательской программы - это было характерно для таких направлений, как

аналитическая теория S-матрицы или бутстрапная идеолгия. Речь шла не только об

отказе от полевых переменных, динамических уравнений и т.д., но и о существенном

изменении наших представлений о структуре материи.

Все подобные направления свидетельствуют о том, что современная физика элементарных частиц не исчерпывается лишь квантовой теорией поля. Однако, все другие направления сталкиваются с существенными трудностями и лишены определенной цельности и целенаправленности.

 

Первые успехи были достигнуты в рамках традиционной квантово-полевой мезодинамики и носили формальный характер: речь шла об успешном объединении всего множества адронов в некую упорядоченную конструкцию. Такая идея супермультиплетов была реализована в 1962 г. М.Гелл- Манном и Ю.Нейманом. Этот результат можно было рассматривать как сугубо формальное достижение, как некое возрождение пифагорейских игр с числами, которое привело к формальной классификации частиц. Однако скоро выяснилось, что ситуация больше напоминает создание таблицы химических элементов Д.И.Менделеева, ибо классификация М.Гелл-Манна и Ю.Неймана позволяла предсказывать существование ранее неизвестных адронов, и они были экспериментально обнаружены, заняв предназначенные для них в таблице места.

Но этим не исчерпывается эвристический потенциал супермультиплетной классификации адронов по группе SU (3) - на ее основе в 1963 г. М.Гелл-Манн и независимо от него Г.Цвейг развили оригинальную кварковую модель.

Вновь возникла надежда, что в основе материи лежат немногочисленные

фундаментальные элементарные частицы: все огромное многоликое множество адронов оказывается очень изящно сведенным к трем первокирпичикам - кваркам, которые также описываются группой SU (3). В рамках этой группы симметрии кварки образуют семейство из трех членов (u, d и s) со спином 1/2.

Все остальные квантовые числа у кварков различаются. Однако у кварков была одна

обескураживающая особенность: они обладают дробным электрическими зарядами.

Представления о кварках заставляют нас пересмотреть догму об абсолютности элементарного заряда электрона, ибо u-кварк имеет заряд +2/3 е, а d - и s-кварки обладают электрическим зарядом по -1/3 е.

В 1969 г. на ускорителе в Стенфорде приступили к изучению глубоконеупругих

рассеяний электронов нуклонами. В этих экспериментах было обнаружено. что внутри

нуклонов расположены точечные частицы (Р.Фейнман назвал их партонами), сталкиваясь с которыми электроны резко меняют направление движения. Все очень напоминало давнюю ситуацию в опытах Резерфорда, когда было обнаружено ядро. С той только разницей, что теперь были обнаружены партоны (в дальнейшем было доказано. что эти партоны как раз и являются кварками), которые до сих пор предпочитают не появляться в свободном состоянии. Есть подозрение, что они в свободном состоянии вообще не могут существовать.

Итак, были достигнуты великолепные результаты и построена корректная теория

сильных взаимодействий - квантовая хромодинамика. Но этот успех оказался

возможным лишь в рамках новой исследовательской программы, в основе

которой лежит новая базисная теория - перенормируемая квантовая теория неабелевых

калибровочных полей со спонтанно нарушенной симметрией. Это была реализация четвертого пути развития, на котором удалось не только построить квантовую хромодинамику, но и объединить слабые и электромагнитные взаимодействия в рамках единой теории и, более того, разработать плодотворные основы для построения единой теории всех видов физических взаимодействий элементарных частиц.

 

Последующие экспериментальные открытия потребовали введения в физику новых сортов (их стали называть ароматами) кварков, что же касается теоретических соображений, то они потребовали введения тонких различий внутри каждого аромата.

Если мезоны вполне удовлетворяли требованиям статистики, ибо образованы из

частицы и античастицы, у которых различаются квантовые числа, то иная

картина получается в случае барионов, часть из которых образовывалась тремя кварками с одинаковыми квантовыми числами (например, uuu, ddd и sss), что несовместимо с

принципами запрета.

Отдельные исследователи предполагают, что каждый аромат кварка может существовать в трех различных состояниях, которые характеризуются одинаковыми значениями всех квантовых чисел, а их отличие определяется новым параметром, который имеет как раз три различных значения, - этот параметр получил условное название "цвет".

Естественно, что все эти кварковые ароматы и цвета не имеют никакого отношения

к нашему сенсорному аппарату, - здесь не поможет ни нос дегустатора, ни глаз

художника. Тем не менее, в новом квантовом числе присутствует одна особенность, которая наталкивает на аналогию с цветовыми соотношениями. Так, если складывать различные цвета вместе, то в итоге возникает белый цвет, т.е. вместо множества цветов получается обесцвечивание.

Аналогичная ситуация наблюдается в микромире: если мы "сложим" желтый, синий и красный кварки, то получим бесцветный барион. Что же касается бесцветности

мезонов, то она обеспечивается соединением цвета и антицвета (это дополнительный цвет антикварка).

Цвет оказался давно разыскиваемым физиками "сильным" зарядом. Если в

электромагнитных взаимодействиях участвуют частицы с электрическим зарядом, которые симметричны относительно положительного и отрицательного знаков, то в сильных взаимодействиях участвуют кварки, обладающие "сильным" зарядом, цветом, которые симметричны относительно трех цветов.

Непросто представить себе те необычные последствия, к которым ведет переход физики от концепции двуполярных зарядов к зарядам трехполярным. Это особенно ярко проявилось при выяснении механизма сильных взаимодействий. На помощь приходит представление об единообразии всех фундаментальных взаимодействий, что проявляется, например, в их обменном характере. В качестве канона, с которым можно проводить сравнение, берут квантовую электродинамику - единственную успешно развитую квантово-полевую теорию. В этой теории описываются электромагнитные взаимодействия элементарных частиц, обладающих электрическими зарядами двух знаков (+ и -), и это взаимодействие реализуется обменом частиц одного типа - электрически нейтральными безмассовыми фотонами.

Переход к трехполярным "сильным" зарядам резко усложнил картину и механизм

взаимодействия - для переноса сильных взаимодействий необходим обмен восемью

различными частицами, которые, как и фотон, являются безмассовыми и обладают спином, равным I. Эти векторные бозоны были названы глюонами, ибо они "склеивают" кварки в адронах.

Конечно, поражает воображение уже сам факт такого количественного роста типов

частиц, необходимых для реализации взаимодействия, но оказывается, что с глюонами

в физику пришли и качественные изменения в наших представлениях о механизме

взаимодействий. Дело в том, что сами глюоны несут цветовой заряд (в отличие от

электрически нейтрального фотона), а это означает, что они находятся между собой в

сильном взаимодействии, что они испускают и поглощают друг друга, изменяя при этом свой цвет. Для отражения этого необычного процесса Л.Б.Окунь нашел наглядный образ: это как бы "светящийся свет"4.

Такие емкие образы крайне важны при продвижении познания на качественно новые уровни строения материи, но нас больше интересуют те новые теоретические и концептуальные средства, которые позволили познать закономерности этого уровня мира, в данном случае - позволили построить теорию сильных взаимодействий, которая описывает кварк-глюонные взаимодействия и называется квантовой хромодинамикой (от греч. "хромос" - цвет).

3 Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц.

М., 1988. С. 43.

 

ЛЕКЦИЯ 7

В ПОИСКАХ НОВЫХ ЗАКОНОВ

Строго говоря, то, о чем я собираюсь говорить в этой лекции, нельзя назвать характеристикой законов физики. Когда мы рассуждаем о характере физических законов, мы можем по крайней мере предполагать, что говорим о самой природе. Но теперь мне хочется поговорить не столько о природе,