Кварки: бета-версия

К началу 1960-х годов экспериментаторы обнаружили десятки адронов с разными массами, временем жизни и характерным вращением (спином). Огромное количество открытий вскоре привело к некоторому «похмелью», поскольку простое накопление любопытных фактов при отсутствии какого-либо более глубокого смысла дурманило разум. В 1955 году в своей речи по случаю вручения Нобелевской премии Уиллис Лэмб пошутил:

«Когда Нобелевская премия была впервые присуждена в 1901 году, физики кое-что знали всего о двух объектах, которые сейчас называются элементарными частицами: об электроне и протоне. После 1930 года появилось множество других „элементарных“ частиц: нейтронов, нейтрино, мю-мезонов, пи-мезонов, более тяжелых мезонов, а также различных гиперонов. Я слышал, как кое-кто говорит, что „за открытие новой элементарной частицы раньше давали Нобелевскую премию, но в настоящее время за такое открытие следует наказывать штрафом в размере 10 000 долларов“».

В этой ситуации Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг совершили большой прорыв в теории сильного взаимодействия, предложив кварковую модель. Они показали, что закономерности в массах, времени жизни и спинах адронов встали бы на свои места, если бы вы представили, что адроны состоят из нескольких более мелких объектов, которые Гелл-Манн назвал кварками. Десятки адронов можно было бы по крайней мере приблизительно понимать как различные комбинации, составленные всего из трех сортов (ароматов) кварков: верхнего — u, нижнего — d и странного — s[6].

Как можно создать десятки адронов из нескольких сортов кварков? Какие простые правила стоят за этими сложными закономерностями?

Изначальные правила представляли собой импровизацию, подогнанную под наблюдения, и были несколько странными. Они определили то, что называется кварковой моделью. Согласно ей существует только две основные структуры адронов. Мезоны состоят из кварка и антикварка. Барионы состоят из трех кварков. (Существуют также антибарионы, состоящие из трех антикварков.) Таким образом, есть лишь несколько возможных комбинаций различных сортов кварков и антикварков, образующих мезоны: вы можете комбинировать u с анти-d или d с анти-s и т. д. Точно так же для барионов существует лишь несколько возможных комбинаций.

Согласно кварковой модели, большое разнообразие адронов зависит не столько от того, какие фрагменты вы складываете вместе, сколько от того, как именно вы их складываете. Если конкретно, то данный набор кварков может быть организован на различных пространственных орбитах с выровненными по-разному спинами примерно так же, как пары или тройки звезд могут быть связаны друг с другом действием силы тяжести.

Существует принципиальная разница между субмикроскопическими «звездными системами» кварков и их макроскопическими аналогами. В то время как макроскопические солнечные системы, управляемые законами классической механики, могут иметь всевозможные размеры и формы, их микроскопические версии этого не могут. Для микроскопических систем, которые подчиняются законам квантовой механики, существуют ограничения, касающиеся разрешенных орбит и направлений спинов[7]. Мы говорим, что система может находиться в различных квантовых состояниях. Каждая допустимая конфигурация орбиты и спина — каждое состояние — будет характеризоваться некоторой определенной общей энергией.

(Признание и анонс: я привожу здесь несколько неаккуратное объяснение, чтобы сразу не обременять вас слишком большим количеством подробностей. Согласно современной квантовой механике, правильным способом является описание состояния частицы в терминах ее волновой функции, которая описывает вероятность ее нахождения в том или ином месте, а не в терминах орбиты, по которой она движется. Мы поговорим об этом подробнее в главе 9. Изображение орбиты представляет собой пережиток так называемой старой квантовой механики. Она полезна в качестве визуализации, но непригодна для точной работы.)

Использование кварков для понимания адронов подобно использованию электронов для понимания атомов. Электроны в атоме могут иметь орбиты различных форм и выстраивать спины в разных направлениях. Таким образом, атом может находиться в разных состояниях и иметь разную энергию. Изучению возможных состояний посвящена обширная тема, известная как атомная спектроскопия. Мы используем ее, чтобы выяснять, из чего состоят далекие звезды, проектировать лазеры и решать многие другие задачи. Поскольку атомная спектроскопия имеет отношение к кварковой модели и чрезвычайно важна сама по себе, давайте обсудим эту тему подробнее.

Горячий газ, как в пламени или в звездной атмосфере, содержит атомы в различных состояниях. Даже в атомах с одинаковыми ядрами и с одним количеством электронов электроны могут находиться на разных орбитах, или их спины могут ориентироваться по-разному. Эти состояния имеют разные энергии. Состояния с высокой энергией могут переходить в состояния с меньшей энергией, что сопровождается излучением света. Поскольку энергия в целом сохраняется, энергия испускаемого фотона, которую выдает его цвет, кодирует разность энергий между начальным и конечным состояниями. Каждый сорт атомов имеет свою особенную палитру. Атомы водорода излучают один набор цветов, атомы гелия — совершенно другой и т. д. Физики и химики называют этот набор цветов спектром атома. Спектр служит в качестве подписи атома и может использоваться для его идентификации. Когда вы пропускаете свет через призму, луч разделяется на различные цвета и спектр буквально напоминает штрихкод.

Спектры, наблюдаемые нами в звездном свете, соответствуют спектрам, наблюдаемым в земном пламени. Поэтому мы можем быть уверены — далекие звезды состоят из того же основного материала, что и обнаруживаемый на Земле. Кроме того, поскольку свету от далеких звезд могут понадобиться миллиарды лет, чтобы добраться до нас, мы можем проверить, соответствуют ли действующие сегодня законы физики тем, которые действовали в далеком прошлом. Полученные до сих пор доказательства говорят о том, что так и есть. (Однако у нас есть веские основания полагать, что в очень ранней Вселенной, которую мы не можем непосредственно наблюдать, по крайней мере в обычном свете, действовали совершенно другие законы. Мы обсудим это позже.)

Атомные спектры дают нам множество подробных указаний для создания моделей внутреннего строения атомов. Чтобы считаться достоверной, модель должна предсказывать состояния, чьи различия в энергии соответствуют цветовому образцу, выявленному спектром. Большая часть современной химии принимает форму диалога. Природа говорит спектрами; химики отвечают моделями.

Запомнив вышесказанное, вернемся к кварковой модели адронов. Здесь применяются те же идеи с одним важным уточнением. В атомах разница в энергии между любыми двумя состояниями электронов относительно мала, и влияние, оказываемое этой разностью энергии на общую массу атома, незначительно. Центральная идея кварковой модели заключается в том, что для кварковых «атомов», то есть адронов, разница в энергии между различными состояниями настолько велика, что она сильно влияет на массу. Применив второй закон Эйнштейна, m = Е / с², мы можем интерпретировать адроны с разными массами как системы кварков с различными орбитальными структурами — разными квантовыми состояниями, которые имеют различную энергию. Другими словами, мы видим атомные спектры, но взвешиваем спектры адронов. Таким образом, то, что на первый взгляд казалось совершенно разными частицами, теперь оказывается всего лишь различными схемами движения в пределах конкретного кваркового «атома». Используя эту идею, Гелл-Манн и Цвейг показали возможность интерпретации множества различных наблюдаемых адронов в качестве различных состояний нескольких базовых кварковых «атомов».

Пока все просто. За исключением уточнения, введенного вторым законом Эйнштейна, кварковая модель адронов выглядит повторением химии. Однако дьявол кроется в деталях, и чтобы увидеть реальность в кварковой модели, пришлось закрыть глаза на кое-какую чертовщину.

Наиболее крамольным предположением является то, о чем мы уже упоминали, — что допустимы только две структуры: мезон (кварк — антикварк) и барион (три кварка). Это предположение включает в себя, в частности, идею того, что кварки не существуют в качестве отдельных частиц! По некоторой причине вы должны были предположить невозможность существования более простой структуры. Не просто неэффективность или нестабильность, а невозможность. Никто, конечно же, не хотел в это верить, поэтому люди упорно трудились, разбивая протоны и пытаясь обнаружить частицы, которые можно было бы идентифицировать в качестве отдельных кварков. Они тщательно изучали то, что оставалось после столкновения частиц. Нобелевские премии и вечная слава, безусловно, достались бы первооткрывателям. Но увы, Святой Грааль найти не удалось. Не было обнаружено ни одной частицы, которая обладала бы свойствами отдельного кварка. В конечном итоге эта невозможность нахождения отдельных кварков, как и неспособность изобретателей создать вечный двигатель, была возведена в принцип конфайнмента (Principle of Confinement). Однако явление от этого не стало менее безумным.

Дополнительные сложности вскрылись, когда физики попытались создать детальные модели внутренней структуры мезонов и барионов с использованием кварков, учитывая их массы. В самых успешных моделях казалось, что, когда кварки (или антикварки) находятся близко друг к другу, они едва друг друга замечают. Это слабое взаимодействие между кварками было трудно примирить с закономерностью, заключающейся в том, что при попытке изолировать один кварк — или два — обнаруживалась невозможность это сделать. Если кваркам нет дела друг до друга, когда они находятся на близком расстоянии, почему они возражают против разделения, когда они друг от друга далеко?

Фундаментальная сила, которая возрастает с увеличением расстояния, была бы беспрецедентным явлением. И это поставило бы неудобный вопрос. Если силы между кварками могут возрастать с увеличением расстояния, почему же астрология не работает? В конце концов, другие планеты содержат много кварков. Может быть, они могут оказывать большое влияние… Может, и так, но на протяжении многих веков ученые и инженеры очень успешно прогнозировали результаты тонких экспериментов, возводили мосты и создавали микрочипы, игнорируя любое возможное влияние удаленных объектов. Астрология должна стоять на более прочной основе.

Поскольку хорошая научная теория должна объяснять, почему астрология так сильно хромает, лучше бы не существовало сил, возрастающих с расстоянием. Старая пословица «Любовь в разлуке крепнет» может иметь или не иметь отношения к романтике, но для частиц такое поведение является крайне странным.

При разработке программного обеспечения первым отважным пользователям часто предоставляется тестовая бета-версия. Эта версия более или менее работает, но поставляется без каких-либо гарантий. Она содержит ошибки, и в ней присутствуют не все функции. Даже работающие части программы работают неидеально.

Оригинальная кварковая модель представляла собой тестовую физическую теорию. В ней использовались специфические правила. Она оставляла такие основополагающие вопросы, как «можно ли получить изолированный кварк?», без ответа. Хуже всего то, что кварковая модель была неопределенной. В ней отсутствовали точные уравнения для сил, действующих между кварками. В этом отношении она напоминала доньютоновские модели солнечной системы или модели атомов, используемые до Шредингера (для экспертов: даже до Бора). Многие физики, включая самого Гелл-Манна, думали, что кварки могут оказаться полезным вымыслом, вроде эпициклов в старой астрономии или орбиталей старой квантовой теории. Казалось, что кварки могли бы послужить полезной временной мерой в процессе математического описания природы и их не следует воспринимать слишком буквально в качестве элементов реальности.