Бег за бесконечностью - Александр Потупа

Два разных, на первый взгляд бесконечно далеких мира: адроны и звезды… Одно из самых последние завоеваний человеческого разума и одно из первых наблюдений, заставивших согласно красивой легенде впервые распрямиться наших еще не шибко образованных, но уже довольно любопытных пращуров. Но наш смелый век стал стремительно наводить мосты между этими мирами.

Уже в 1932 году Л. Ландау высказал гипотезу о существовании гигантских атомных ядер — нейтронных звезд Под действием мощных гравитационных сил особо массивные звезды должны сжиматься, и давление в звездных недрах начинает буквально сминать атомы, вдавливая электроны в ядра. Когда большинство электронов провзаимодействует с ядерными протонами, последние превратятся в нейтроны за счет реакций обратного бета-распада с испусканием интенсивного нейтринного излучения. В результате постепенно сформируется своеобразное макроскопическое атомное ядро — нейтронная звезда.

Долгое время идею Л. Ландау рассматривали как красивую гипотезу, но вот в 1967 году были обнаружены знаменитые пульсары, космические объекты небольшого размера с регулярным и интенсивным излучением. Вскоре теоретики поняли, что единственный способ учесть малый период пульсаций излучения для объектов с характерными звездными массами — предположить, что это и есть невероятно концентрированные нейтронные звезды…

Связи, связи, связи… Наверное, самое главное дело науки — поиск и объяснение связей между близкими и далекими явлениями. Адроны и гравитация силы, отстоящие друг от друга примерно на 40 порядков десятичной шкалы (сорок!!!) — демонстрируют необходимость в какой-то единой точке зрения. Вы только что видели, что современная теория тяготения в таких принципиально важных пунктах, как строение сверхплотных звезд и ранние этапы развития вселенной, требует привлечения конкретных представлений физики сильных взаимодействий.

Еще более наглядные мосты перебрасываются сейчас между сильными и электромагнитными взаимодействиями. При учете интенсивного рождения адронов обычная электродинамика становится существенно незамкнутой в области высоких энергий — ее следует дополнять законами сильных взаимодействий.

Нечто похожее происходит и с теорией слабых взаимодействий. Во-первых, она устроена гораздо менее надежно, чем электродинамика. И, во-вторых, рождение адронов в экспериментах по рассеянию нейтрино (это единственная частица, обладающая только слабым взаимодействием!) показывает все ту же незамкнутость. Похоже, что адроны решили не только продемонстрировать физикам новые варианты устройства собственного мира, но и стали решительно вмешиваться во «внутренние дела» других фундаментальных взаимодействий.

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.