Глава 15. КОСМИЧЕСКИЙ ТАНЕЦ

В ходе изучения субатомного мира в двадцатом веке физики обнаружили, что вещество имеет динамическую природу, а составные части атома, субатомные частицы представляют собой динамические структуры, существующие не в виде самостоятельных единиц, а в виде неотъемлемых компонентов неразрывной сети взаимодействий. Эти взаимодействия питает бесконечный поток энергии, воплощающийся в обменах частицами, динамическом чередовании стадий созидания и разрушения, а также в беспрестанных изменениях энергетических паттернов. В результате взаимодействий образуются все более устойчивые единицы, из которых и состоят материальные тела. Эти единицы, в свою очередь, тоже не остаются неподвижными, но ритмически колеблются. Таким образом, вся Вселенная оказывается вовлеченной в бесконечный процесс движения и деятельности--в постоянный космический танец энергии.

В этом танце принимает участие бесчисленное множество паттернов, которые, как это ни странно, мы можем разделить на несколько основных разновидностей. Изучение субатомных частиц и их взаимодействий открывает нашему взору не мир хаоса, а в высшей степени упорядоченный мир. Все атомы, а значит, и все материальные тела вокруг нас представляют собой сочетания всего лишь трех материальных частиц, обладающих массой: протона, нейтрона и электрона. Четвертая частица, фотон, не имеет массы и является единицей электромагнитного излучения. Протон, электрон и фотон представляют собой устойчивые частицы, что означает, что их существование не прерывается до тех пор, пока они не принимают участия в столкновениях с другими частицами, угрожающими им аннигиляцией. Распад нейтрона, напротив, может с легкостью произойти в любой момент. Этот процесс, получивший название "бета-распада", представляет собой обычный механизм одной из разновидностей радиоактивных явлений. # # И что? Нет ли тут указания на то, что ЗАРЯД обеспечивает # какую-то дополнительную стабильность, играя роль клея? # Он состоит из преобразования нейтрона в протон и возникновения электрона и нейтрино. Нейтрино--еще одна частица, не имеющая массы, но характеризующаяся устойчивостью, подобно протону, электрону и фотону. Обычно нейтрино обозначают греческой буквой u ("ню"), в результате чего символическая запись процесса бетараспада приобретает следующий вид:

n --> p + e- + u (ню)

Преобразование нейтронов в протоны влечет за собой преобразование атомов радиоактивного вещества в атомы другого элемента. Возникающие в ходе этого химического процесса электроны испускаются атомами в виде мощного излучения, которое находит широкое применение в биологии, медицине и промышленности. Установить факт возникновения нейтрино гораздо сложнее, так как эти частицы не имеют ни массы, ни электрического заряда.

Как уже говорилось выше, для каждой частицы существует аналогичная античастица с такой же массой и противоположным зарядом. Античастицей для фотона является сам фотон, античастица электрона называется позитроном; помимо них, нам известны антипротон и антинейтрино. На самом деле, та не имеющая веса частица, которая возникает в процессе бета-распада, представляет собой не нейтрино, а его античастицу, антинейтрино (u-), вследствие чего наша запись приобретает вид:

n --> р + е- + u-

Упоминавшиеся до сих пор частицы---лишь малая часть всех субатомных частиц, известных современной науке. Все остальные персонажи субатомного мира неустойчивы; они очень быстро распадаются на другие частицы, которые, в свою очередь, могут тоже подвергаться распаду до тех пор, пока не образуются устойчивые частицы. Исследование неустойчивых частиц очень дорогостоящее, так как для каждого эксперимента эти частицы приходится создавать заново, что невозможно без огромных ускорителей частиц, пузырьковых камер и других устройств для детекции частиц.

Самые неустойчивые частицы существуют на протяжении очень небольшого промежутка времени по сравнению с нашими временными масштабами--меньше миллионной доли секунды. Однако следует учитывать, что продолжительность их жизни должна рассматриваться в сочетании с их размерами, которые тоже очень невелики. При таком подходе сразу становится очевидно, что на самом деле продолжительность существования этих частиц--довольно большая величина, и что одна миллионная доля секунды фактически--огромная продолжительность жизни в мире частиц. Человек за одну секунду может преодолеть расстояние, которое в несколько раз превышает его собственные размеры. Для частицы аналогичной единицей времени будет тот промежуток времени, в течение которого частица преодолевает расстояние, которое тоже превышает ее размеры в несколько раз; эту единицу времени логично назвать "частице-секунда". Физики оценивают продолжительность этой единицы времени в 1.0е-23 доли обычной секунды.

Для того, чтобы преодолеть расстояние, равное диаметру среднестатистического ядра атома, частице, движущейся со скоростью, близкой к скорости света (как это происходит, скажем, вовремя экспериментов по столкновению частиц), необходимо примерно десять таких частице-секунд. Около двух дюжин из всего множества неустойчивых частиц, прежде чем подвергнуться распаду, преодолевают расстояния, равные размерам нескольких атомов. Это расстояние превышает их собственные размеры примерно в сто тысяч раз, и для его преодоления требуется несколько сот "частице-часов". Эти частицы, наряду с уже упоминавшимися устойчивыми, перечислены в таблице на рис. 34. Большинство неустойчивых частиц из этой таблицы могут до своего распада переместиться на целый сантиметр или даже на несколько сантиметров, а неустойчивые частицы с наибольшей продолжительностью существования могут преодолеть расстояние даже в несколько сотен метров, которое кажется воистину огромным по сравнению с их собственными размерами. # # К сожалению, таблица утеряна, саму книгу я никогда # не видел, а в физике частиц понимаю мало, посему # восстановить обозначения частиц не в состоянии. # Если кто-нибудь из физиков пришлет правки - # буду благодарен! #

Таблица на рис. 34 включает тринадцать различных видов частиц, многие из которых могут существовать в нескольких "зарядовых состояниях". Так пионы могут иметь положительный заряд (п+), отрицательный заряд (п-) или быть электрически нейтральными (п0). Существует две разновидности нейтрино, различающиеся тем, что каждая из них может взаимодействовать только с определенным типом частиц: первая--с электронами (Ve), вторая--с мюонами (ui). Античастицы тоже включены в таблицу, причем три частицы могут быть своими собственными античастицами (гамма, Л, i). Все частицы расположены в порядке возрастания массы атомов: фотоны и нейтрино не имеют массы, электрон представляет собой легчайшую частицу из обладающих массой, мюоны, пионы и каоны в несколько сот раз тяжелее электрона; Остальные частицы тяжелее электрона в 1000-3000 раз.

Все остальные известные к настоящему времени частицы относятся к числу так называемых "резонансов". Им посвящена следующая глава. Резонансы еще менее долговечны, их распад происходит за несколько частицесекунд, вследствие чего они не могут преодолевать расстояния, превышающие их размеры больше, чем в несколько раз. Это означает, что пузырьковая камера оказывается беспомощной и не может обнаружить присутствие этих частиц. Поэтому свидетельства их существования могут быть только косвенными. Следы из пузырьков в пузырьковых камерах оставляют только те частицы, которые перечислены в нашей таблице.

В процессе столкновения все эти частицы могут возникать и аннигилировать, а также участвовать в виртуальных обменах, осуществляя таким образом взаимодействия между другими частицами. Казалось бы, при таком раскладе итоговое количество возможных типов взаимодействий между частицами может быть очень большим, однако по какой-то причине, которая остается неизвестной, все взаимодействия делятся на четыре разновидности, характеризующиеся различной степенью взаимодействия. Перечислим эти разновидности:

- Сильные взаимодействия. - Электромагнитные взаимодействия. - Слабые взаимодействия. - Гравитационные взаимодействия.

Наиболее известными из них являются электромагнитные и гравитационные взаимодействия, наблюдающиеся в макроскопическом мире. Гравитационные взаимодействия наличествуют между всеми существующими частицами, однако при этом они настолько слабы, что не подвергаются экспериментальной детекции. В макроскопическом мире гравитационные взаимодействия большого количества частиц, составляющих массу тела, складываются и порождают макроскопическую силу гравитации, которая является основной силой во Вселенной. Электромагнитные взаимодействия происходят между всеми заряженными частицами. Именно они ответственны за все химические реакции, а также за образование и всех атомных и молекулярных структур. Сильные взаимодействия удерживают вместе протоны и нейтроны внутри ядра. Они порождают ядерную силу--самую мощную из всех известных современной науке сил. Так, например, электроны удерживаются поблизости от атомного ядра при помощи электромагнитной силы, обладающей энергией примерно в десять электрон-вольт, в то время как ядерная сила, связывающая нейтроны внутри ядра, использует энергию, равную десяткам миллионов электрон-вольт--особых единиц для измерения энергии на субатомном уровне.

Нуклоны--не единственные частицы, которые принимают участие в сильных взаимодействиях. Как ни странно, к сильновзаимодействующим частицам относится подавляющее большинство всех известных частиц. Из всех частиц только пять не могут принять участия в сильных взаимодействиях, как, впрочем, и их античастицы. Это фотон и четыре лептона, перечисленные в верхней части таблицы. Недавно был обнаружен пятый лептон, получивший обозначение "тау" (греческая буква т). Также, как электрон и мюон, он может существовать в двух зарядовых состояниях, соответственно т- и т+, а поскольку его масса превосходит массу электрона почти в 3500 раз, он получил название тяжелого лептона. Существование нейтрино, который принимал бы участие только во взаимодействиях с тау, было только постулировано и остается до сих пор недоказанным экспериментально.

Таким образом, мы можем разделить все частицы не две большие группы--лептоны и адроны, или сильновзаимодействующие частицы. Адроны, в свою очередь, делятся на мезоны и барионы, между которыми существует довольно много различий. Важнейшее из них заключается в том, что все барионы имеют античастицы, в то время как мезоны могут сами выступать в роли своих античастиц.

Лептоны принимают участие во взаимодействиях четвертого типа - в слабых взаимодействиях. Последние настолько слабы и действуют на таком коротком расстоянии, что не могут удерживать частицы друг подле друга, в то время как три остальные разновидности взаимодействий порождают силы притяжения: сильные взаимодействия--внутри атомных ядер, электромагнитные взаимодействия - внутри атомов и молекул, а гравитационные взаимодействия--между планетами, звездами и даже целыми галактиками. Слабые взаимодействия проявляются в единственной форме--в форме некоторых столкновений частиц, а также их распада. К числу последних относится и бета-распад, упоминавшийся выше.

Все взаимодействия между адронами проявляются в обмене другими адронами. Сильные взамодействия действуют только на очень небольших расстояниях из-за того, что в соответствующих им обменных процессах участвуют тяжелые адроны. Сильные взаимодействия могут происходить только при том условии, что расстояние между частицами не превышает нескольких диаметров частицы. Поэтому они не могут создать силу, воздействие которой сказалось бы на нашем макроскопическом окружении. В противоположность сильным, электромагнитные взаимодействия, воплощающиеся в обменах не - имеющими массы фотонами, могут происходить между сколь угодно далекими частицами, вследствие чего электрические и магнитные силы хорошо известны в мире больших измерений. Считается, что гравитационные взаимодействия тоже осуществляются при помощи обмена особыми частицами--"гравитонами", однако слабость этих взаимодействий настолько велика, что гравитоны до сих пор не были обнаружены учеными, хотя никаких серьезных поводов сомневаться в их существовании нег.

Наконец, поскольку слабые взаимодействия становятся возможными только при том условии, что расстояние между частицами предельно невелико--гораздо меньше, чем при сильных взаимодействиях, физики считают, что эти взаимодействия осуществляются при помощи обмена очень тяжелыми частицами. По всей видимости, эти частицы выполняют роль, аналогичную роли фотона при электромагнитных взаимодействиях, и единственное их отличие от последнего заключается в том, что они гораздо тяжелее. По сути дела, именно аналогия с фотоном легла в основу последних модификаций теории квантового поля, получивших название "теории приборов" и позволивших построить единую теорию поля для электромагнитных и слабых взаимодействий.

Во многих процессах столкновений, находящих применение в физике высоких энергий, часто имеют место и сильные электромагнитные, и слабые взаимодействия, в результате чего возникают длинные цепочки последовательных превращений частиц. Частицы, первоначально принимавшие участие в столкновении, аннигилируют, образуя несколько новых частиц, которые тоже проходят несколько стадий распада, прежде чем превратиться в устойчивые частицы.

На рис. 35 представлена сложная последовательность столкновений и распадов частиц: отрицательно заряженный пион (п-) проникает в пузырьковую камеру слева, сталкивается с протоном, то есть с ядром атома водорода, который уже находился внутри камеры; обе частицы аннигилируют, в результате чего образуется нейтрон (n) или два каона (К- и К+); нейтрон улетает, не оставляя следа; каон сталкивается с другим, находящимся в камере протоном, обе частицы аннигилируют, образуя ламбду (Л) и фотон (гамма). Ни одна из вновь образовавшихся частиц не оставляет видимых следов в камере, однако ламбда через некоторе время распадается на протон (р) и (п-), каждый из которых оставляет видимый след. На рисунке хорошо видно небольшое расстояние между возникновением ламбды и ее распадом. Наконец, К-, возникший еще при самом первом столкновении, некоторое время продолжает двигаться, а потом распадается на три пиона. # # Опять утеряны названия частиц (сканнер их исказил) и схема. #

Здесь изображена одна из таких цепочек возникновений и исчезновений частиц. Обратите внимание на тот факт, что следы в пузырьковой камере могут оставлять только заряженные частицы; под воздействием магнитного поля они отклоняются в различных направлениях, в зависимости от знака заряда: положительные--по часовой стрелке, а отрицательные--против часовой стрелки. Этот график представляет собой прекрасное доказательство того факта, что на уровне частиц материя характеризуется колоссальной слитностью и взаимопроницаемостью, а также достоверное и наглядное изображение энергетических каскадов, сопровождающих образование и уничтожение различных структур, или, говоря другими словами, различных частиц.

Особенно поразительными представляются такие случаи, когда лишенный массы, но наделенный большим количеством энергии фотон, который никак не обнаруживает своего присутствия в пузырьковой камере, внезапно взрывается, образуя пару заряженных частиц (позитрон и электрон), которые тут же начинают двигаться по расходящимся дугам. На рисунке 36 запечатлен процесс, в котором образование пары противоположно заряженных частиц из электрически нейтрального фотона происходит целых два раза.

На рис. 36 представлена последовательность событий, приводящих к образованию двух электронно-позитронных пар: антипротон (р-) снизу проникает в пузырьковую камеру, сталкивается с одним из протонов и образует я+ (след, уходящий влево) и я- (след, уходящий вправо), а также два фотона (гамма), каждый иэ которых, в свою очередь, распадается на электронно-позитронную пару: позитроны (е+), улетающие направо, и электроны (е-) - влево. # # Что такое я+ и я- мне понять не удается... #

Чем значительнее объем энергии, изначально принимающей участие в процессе столкновения, тем больше частиц может образоваться. На рис. 37 изображено столкновение между антипротоном и протоном, в результате которого возникает восемь пионов.

Для того, чтобы разогнать частицы до достаточно большой скорости, то есть, иными словами, для того, чтобы сообщить им достаточно большое количество энергии, используются мощные ускорители частиц. В большинстве случаев природные явления, происходящие на Земле, имеют более низкие энергетические характеристики, вследствие чего тяжелые частицы редко образуются на Земле в естественных условиях. В открытом космосе нас ждет совершенно иное положение дел: в центре звезд сосредоточены крупные скопления субатомных частиц, между которыми постоянно происходят естественные столкновения, аналогичные столкновениям внутри ускорителей современной экспериментальной физики. В некоторых звездах эти процессы порождают чрезвычайно мощное электромагнитное излучение, которое может принимать форму радиоволн, световых волн и рентгеновских лучей. Для астрономов это излучение представляет собой основной источник знаний и информации о Вселенной. Таким образом, межзвездное, как впрочем, и межгалактическое, пространство оказывается насыщенным электромагнитными излучениями различных частот, то есть фотонными потоками, обладающими различными запасами энергии. Тем не менее, фотоны--не единственные частицы, которые постоянно бороздят просторы космоса. "Космическое излучение" состоит не только из фотонов, но также и из тяжелых частиц, механизм образования которых до сих пор не вполне ясен. Большинство этих частиц составляют протоны; некоторые из них обладают очень большими запасами энергии, намного превышающими те предельные показатели, которые позволяют достичь самые мощные ускорители частиц.

Попадая в атмосферу Земли, эти высокоэнергетические "космические лучи" сталкиваются с ядрами атомов, составляющих молекулы различных атмосферных веществ, образуя огромное множество вторичных частиц, которые либо подвергаются независимому распаду, либо вступают в дальнейшие взаимодействия--столкновения. Превращения частиц продолжаются до тех пор, пока очередные из них не достигнут Земли. Так, один-единственный протон, попавший в атмосферу Земли, может породить целый каскад явлений, в ходе которых его исходная кинетическая энергия превратится в целый ливень разнообразных частиц и будет постепенно поглощаться по мере продвижения претерпевающих непрестанные изменения частиц к поверхности Земли. То же самое явление, наблюдаемое в ходе экспериментов физики высоких энергий по столкновению частиц, происходит естественным путем в атмосфере нашей планеты, И причем в последнем случае его протекание характеризуется гораздо большей интенсивностью, чем во время экспериментов. Непрерывный поток энергии претерпевает на своем пути к Земле множество изменений, частицы непрерывно возникают и исчезают в ритмическом танце творения и разрушения.

В мире частиц могут происходить не только такие процессы возникновения и уничтожения частиц, которые поддаются детекции при помощи фотографий пузырьковых камер. Важное место среди явлений субатомного мира занимают и процессы возникновения и аннигиляции виртуальных частиц, участвующих в обменных процессах, опосредующих взаимодействия между частицами. Виртуальные частицы существуют не настолько долго, чтобы можно было подтвердить их присутствие экспериментальным путем. Возьмем, к примеру, возникновение двух пионов в результате столкновения протона и антипротона. Пространственно-временной график для данного процесса будет выглядеть следующим образом (см. рис. 38). Не забывайте о том, что время на этих графиках имеет направленность снизу вверх. На этом графике изображены мировые линии протона (р) и антипротона (р-) которые сталкиваются друг с другом в некоторой точке пространства--времени, аннигилируя и образуя два пиона (п+ и п-). И все же этот график не вполне соответствует действительности. Взаимодействие между протоном и антипротоном можно представить в виде процесса обмена виртуальным нейтроном, изображенного на рис. 39.

Точно таким же образом процесс, зафиксированный на рис. 40, приводящий к образованию четырех пионов и результате столкновения протона и антипротона, тоже может быть представлен в виде более сложного обменного процесса, в ходе которого происходит образование и аннигиляция трех виртуальных частиц--двух нейтронов и одного протона.

Нужно учитывать тот факт, что графики в этой части главы довольно схематичны и не дают представления о точных величинах углов между линиями движения частиц.

Соответствующая фейнмановская диаграмма будет выглядеть примерно так (см. рис. 41):

Эта диаграмма чисто схематическая, и не показывает точных углов разлета частиц. Отметим также, что изначальный протон, находящийся в пузырьковой камере, не виден на фотографии (и, соответственно, диаграмме), но имеет свою мировую линию на этой пространственновременной диаграмме, поскольку он движется во времени.

Все эти примеры демонстрируют нам, что следы частиц на фотографиях пузырьковой камеры могут дать только самое общее представление о взаимодействиях частиц. Реальные же процессы состоят из целой последовательности обменов частицами. Если мы вспомним о том, что каждая из частиц, принимающих участие во взаимодействии, постоянно испускает и поглощает виртуальные частицы, картина станет еще более сложной. Так, протон обычно периодически испускает и поглощает нейтральные пионы, иногда он испускает (п+) и превращается в нейтрон, который через некоторое время поглощает этот (п-) и снова превращается в протон. На графиках Фейнмана это отражается в том, что обычная линия протона заменяется на более сложное изображение (см. рис. 42). В ходе этих виртуальных процессов первоначальная частица может на некоторое время исчезнуть, как скажем, на графике "в". Возьмем другой пример--скажем, процесс, в котором отрицательный пион распадается на нейтрон (n) и антипротон (р-), аннигилирующие при последующем столкновении и превращающиеся в исходный пион (см. рис. 43). # # Тут снова был полный бардак с названиями частиц. #

Важно принимать во внимание, что все эти процессы подчиняются законам квантовой теории, а следовательно, имеют вероятную, а не действительную природу. Каждый протон может быть охарактеризован с точки зрения вероятности его существования в форме различных пар: "протон плюс пи0", "нейтрон плюс пи+" и так далее. Перечисленные выше процессы являются простейшими примерами виртуальных взаимодействий. Гораздо более сложные, запутанные паттерны возникают тогда, когда виртуальные частицы порождают другие виртуальные частицы, умножая таким образом число виртуальных взаимодействий (не будем забывать при этом, что вероятности имеют отнюдь не произвольный характер, но подчиняются некоторым общим закономерностям, которым будет посвящена отдельная глава).

В своей книге "Мир элементарных частиц" Кеннет Форд приводит сложный пример такого процесса (см. рис. 44), в ходе которого происходит образование и аннигиляция десяти виртуальных частиц, сопровождая график следующим замечанием: "Этот график представляет собой изображение одной из подобных цепочек явлений, на первый взгляд производящее довольно устрашающее впечатление, но, тем не менее, вполне соответствующее действительности. Каждый протон время от времени принимает участие в этом танце творения и разрушения" [28,209].

Форд--не единственный физик, использовавший выражение типа "танец творения и разрушения", "танец энергии". При попытке представить себе поток энергии, преобразующейся в различные динамические структуры, или частицы, мы естественным образом начинаем сравнивать это с ритмичным танцем. Современная физика обнаружила, что подвижность и изменчивость принадлежат к числу основных свойств материи, и вся материя, независимо от того, где она находится--у нас, на Земле, или в космосе,--всегда принимает участие в непрекращающемся космическом танце.

Динамическое мировоззрение восточных мистиков имеет много общего с мировоззрением современной физики, поэтому неудивительно, что для выражения своего интуитивного восприятия природы мистики тоже используют образ танца. Прекрасный пример такого рода мы находим в книге Александры Дэвид-Неел "Путешествие в Тибет", в описании встречи автора с ламой, представившемся как "властелин звука" и изложившим свои взгляды на природу материи следующим образом: "Все вещи... суть скопления атомов, которые танцуют, и посредством своего движения рождают звуки. Когда ритм их танца изменяется, рождаемый ими звук тоже претерпевает изменения... Каждый атом непрерывно поет свою собственную песню, а звук рождает в этот момент времени плотные и тонкие формы" [22, 186].

Сходство этого подхода с мировоззрением современной физики становится еще более очевидным, если мы вспомним о том, что звук--это волна с определенной частотой, которая изменяется вместе с изменением звука, и что частицы--современный эквивалент старого понятия "атомы"--тоже представляет собой волны, частота колебания которых пропорциональна их запасу энергии. Согласно теории поля, действия каждой частицы сводятся к тому, что она "непрерывно поет свою собственную песню", ритмически порождая энергетические паттерны (виртуальные частицы) в виде "плотных и тонких форм".

Метафора космического танца нашла наибольшее воплощение в индуизме в образе танцующего бога Шивы. Шива, один из древнейших и наиболее почитаемых божеств Индии, обладающих множеством перерождений, является Королем Танцоров. Согласно представлениям индуистов, любая человеческая жизнь представляет собой составную часть всеобщего ритмического процесса творения и разрушения, смерти и воскрешения, а танец Шивы символизирует ритм вечной пульсации между жизнью и смертью, характеризующийся безначальной и бесконечной цикличностью. По словам Ананды Кумарасвами: "Во время ночи Брахмана природа сохраняет неподвижность и не может танцевать до тех пор, пока этого не захочет Шива: он восстает из своего экстаза и, танцующий, пронизывает неподвижную материю волнами несущего пробуждения звука, и--чу!--материя тоже начинает танцевать, окружая Его в своей вечной славе. Танцуя, он поддерживает существование многообразных явлений природы. По истечении времени, все еще продолжая танцевать, Он уничтожает в огне все формы и имена, и снова дает Природе отдых. Это поэзия, и в То же время--наука" [20, 78].

Танец Шивы символизирует не только последовательные циклы творения и разрушения, но и ритм повседневных рождений и смертей, который в индуизме считается основой всякого бытия. В то же время Шива, творящий разнообразные формы материального мира и вновь растворяющий их в плавном течении своего танца, напоминает нам о том, что все формы есть майя, что они не имеют фундаментальной сущности, являясь преходящими и иллюзорными. Генрих Циммер описывает это положение индуистской философии в следующих выражениях: "Его движения--одновременно резкие и исполненные грации--порождают космическую иллюзию; его стремительно движущиеся руки, ноги, и изгиб торса порождают беспрестанное сотворение--уничтожение Вселенной, а точнее--являются таковыми, причем смерть полностью уравновешивает жизнь, и исчезновение полагается закономерным исходом всякого возникновения" [89,155].

Индийские скульпторы десятого---двенадцатого веков создали много бронзовых изображений танцующего Шивы с четырьмя руками, удивительная симметричность и, в то же время, динамичность расположения которых в пространстве передает идею ритмичности и единства проявлений жизни. Каждому жесту Шивы индуистская традиция приписывает особое символическое значение. В правой верхней руке бог держит бубен, символизирующий первозданный звук творения; на его левой верхней ладони мы видим пламя, символизирующее разрушение. Уравновешенность двух верхних рук символизирует динамическое равновесие процессов созидания и разрушения в нашем мире, которое становится еще более очевидным при взгляде на отрешенное лицо Шивы, находящееся на одинаковом удалении от обеих рук и воплощающее идею трансцендирования противопоставления между сотворением и разрушением. Вторая правая рука воздета в успокаивающем жесте, символизирующем состояние защищенности и умиротворения, тогда как вторая левая рука указывает на приподнятую ступню, что означает освобождение от чар майи. Шива изображается танцующим на теле поверженного демона, олицетворяющего человеческое невежество, которое стоит на пути тех, кто стремится к освобождению.

Танец Шивы, по словам Кумарасвами, представляет собой "яснейший образ божественной деятельности, которым по праву могла бы гордиться любая религия и любое искусство" [20, 67]. Поскольку божество является одной из персонификаций Брахмана, его деятельность сводится к порождению и уничтожению мириадов материальных воплощений последнего. Танец Шивы--это танцующая Вселенная, бесконечный поток энергии, принимающий бесчисленное множество рисунков, которые склонны плавно переливаться друг в друга.

Современная физика пришла к выводу, что ритм сотворения и разрушения присутствует не только в чередовании времен года и физическом рождении и гибели живых существ, но и выступает в качестве основной сущности неорганической материи. Согласно теории квантового поля, все взаимодействия между составными частями материи осуществляются посредством испускания и поглощения виртуальных частиц. Более того, танец творения и разрушения представляет собой единственно возможную форму существования самого вещества, так как все материальные частицы "самовзаимодействуют", испуская и поглощая виртуальные частицы. Таким образом, современная физика постулирует то положение, согласно которому, каждая частица принимает участие в танце энергии, одновременно ЯВЛЯЯСЬ этим танцем, пульсирующим процессом творения и разрушения.

Рисунки этого танца характеризуют сущность каждой частицы и ее свойства. Так, например, запас энергии, необходимый для испускания и поглощения виртуальной частицы, эквивалентен определенному количеству массы, которое добавляется к массе самовзаимодействующей частицы. Различные частицы принимают разное участие в этом танце; каждая из них имеет своя параметры энергии и массы. Наконец, виртуальные частицы не только представляют собой единственное средство осуществления взаимодействий между частицами, а, соответственно, и объяснение их свойств, но могут порождаться вакуумом и черпать свою энергию из него. Таким образом, в космическом танце принимает участие не только материя, но и Пустота, бесконечно творя и разрушая энергетические паттерны.

Современные физики воспринимают танец Шивы как танец субатомной материи. Как и в индуистской мифологии, последний представляет собой бесконечный танец сотворения и разрушения, в котором принимает участие весь космос; основу всякого бытия и всех явлений природы. Столетия тому назад индийские скульпторы создавали величественные бронзовые изваяния танцующего Шивы. В наше время физики разработали сложнейшие приборы для того, чтобы получить портрет Вселенной в ее космическом Танце. Фотографии пузырьковой камеры, на которых запечатлены взаимодействия частиц, тоже являются изображениями рисунка танца Шивы, которые не уступают по красоте и значению своим индуистским аналогам. Эти фотографии доказывают, что Вселенная постоянно претерпевает процессы ритмического сотворения и разрушения. Таким образом, метафора космического танца объединяет древнюю мифологию, религиозное искусство и современную физику. Как говорит Кумарасвами, эта метафора представляет собой "поэзию, и в то же время - науку".

Глава 16. СИММЕТРИЯ В МИРЕ КВАРКОВ - "ЕЩЕ ОДИН КОАН?"

В субатомном мире безраздельно властвуют ритм, движение и непрестанное изменение. Все изменения не случайны и не произвольны. Они следуют очень четким и ясным паттернам. Начнем с того, что все частицы той или иной разновидности абсолютно идентичны по массе, величине электрического заряда и другим характерным показателям. Далее, все заряженные частицы имеют электрический заряд, который либо равен заряду электрона, либо противоположен ему по знаку, либо превышает его в два раза. То же относится к остальным характеристикам частиц; они могут принимать не любые произвольные значения, а только ограниченное их количество, что позволяет нам разделить частицы на несколько групп, которые могут быть также названы "семьями". Это подводит нас к вопросу: каким образом такие определенные паттерны возникают в динамическом и изменчивом мире частиц?

Возникновение четких паттернов в структуре материи--вовсе не новое явление. Оно уже хорошо известно в мире атомов. Как и субатомные частицы, все атомы, принадлежащие к одной и той же разновидности, характеризуются идентичным строением. В периодической таблице все разновидности атомов, или элементы, объединены в несколько больших групп. В наше время ученые хорошо представляют себе основания для такой классификации: она зависит от количества протонов и нейтронов в их ядрах и от распределения электронов по сферическим орбитам вокруг ядер, или "оболочкам". Как уже говорилось ранее, электроны имеют свойства волн (см. гл. 4). Поэтому расстояние между электронными орбитами и количество вращения, которым может обладать электрон, характеризуется несколькими устойчивыми значениями, которые зависят от колебаний электронных волн. Соответственно, в структуре атома возникают определенные паттерны, которые характеризуются набором "квантовых чисел" и которые отражают колебательные паттерны электронных волн на орбитах внутри атома. Эти колебания определяют "квантовые состояния" атома. Поэтому два атома, находящихся в "основном состоянии" или же в одном из "возбужденных состояний", имеют одну и ту же внутреннюю структуру.

Паттерны в мире частиц во многом схожи с паттернами в мире атомов. Так, большинство частиц вращается вокруг своей оси, подобно юле. Их спины могут принимать только некоторые определенные значения, представляющие собой интеграл, помноженный на какую-то базовую единицу. Барионы, например, могут иметь спин, равный 1/2, 3/2, 5/2 и т. д., тогда как мезоны могут иметь спин, равный 0, 1, 2, и т.д. Спин субатомной частицы напоминает нам о количествах вращений электронов на орбитах внутри атома. Спин электрона тоже может быть только целым числом. # # Странная фраза... Спин электрона +1/2 и -1/2 #

Сходство с атомными паттернами усиливается после знакомства с тем фактом, что все сильно взаимодействующие частицы, иначе именуемые адронами, могут быть расположены в четкой последовательности друг за другом. Адроны обладают очень схожими свойствами, и единственное различие между ними вызвано различием их масс и спинов. Частицы с наибольшим порядковыми номерами внутри этой последовательности характеризуются чрезвычайной недолговечностью и носят наименование резонансов. За последнее десятилетие ученым удалось обнаружить много таких резонансов. Масса и спин резонансов увеличивается четко определенным образом, и их последовательность, судя по всему, заканчивается в бесконечности. Четкие закономерности построения этой последовательности чем-то напоминает закономерности перехода атома в различные возбужденные состояния, вследствие чего физики рассматривают частицы с большим порядковым номером внутри этой последовательности не в качестве самостоятельных частиц, а в качестве возбужденных состояний частицы с наименьшей массой. Таким образом, адрон, как и атом, может на какое-то время существовать в различных возбужденных состояниях, которые отличаются от его обычного состояния большим количеством вращений (или спин), и большей энергией (или массой).

Сходство квантовых состояний атомов и адронов наводит на мысль о том, что адроны тоже представляют собой сложные объекты, имеющие внутреннюю структуру и способные "возбуждаться", то есть поглощать энергию для образования различных паттернов. Однако, сегодня мы еще не понимаем, как образуются эти паттерны. В атомной физике их можно объяснить в терминах свойств и взаимодействий компонентов атома (протонов, нейтронов и электронов), однако, это объяснение пока не может быть применено для описания явлений мира частиц. Паттерны, обнаруженные в мире частиц, были определены и классифицированы чисто эмпирическим путем, и их невозможно еще исчислить из составляющей частицы структуры.

Главная сложность, с которой сталкиваются исследователи, занимающиеся физикой частиц, заключается в том, что классические представления о сложных "объектах", состоящих из "составных частей", оказываются бесполезными при описании субатомных частиц. Узнать, из каких "составных частей" состоят частицы, можно только одним путем--путем наблюдения за их столкновениями. Однако результаты подобных экспериментов по столкновению частиц отнюдь не подтверждают гипотезу "составных частей": более мелких единиц вещества получить не удается. Например, два протона могут после столкновения разлететься на множество "осколков", но среди них никогда не будет "кусочков протона". Эти осколки всегда будут представлять собой целые адроны, образующиеся из кинетических энергий и масс сталкивающихся протонов. Поэтому распад на "составляющие" носит не очень очевидный характер и зависит от количества энергии, принимающего участие в процессе. В данном случае мы имеем дело с типично релятивистской ситуацией чередования и переплетения энергетических узоров, которые не могут рассматриваться в терминах статических сложных объектов и составных частей. О "структуре" атомной частицы можно говорить только в одном смысле---в смысле ее способности принимать участие в различных процессах и взаимодействиях.

Способы преобразования частиц во время высокоэнергетических столкновений подчиняются определенным законам, которые могут быть использованы для описания мира частиц. В шестидесятые годы, когда было открыто основное большинство частиц, известных современной науке, многие физики уделяли внимание, главным образом, изучению и сопоставлению закономерностей этих преобразований, а не попыткам решить, что же лежит в основе таких динамических паттернов, которые мы называем частицами. Это было вполне естественно, и наука добилась на этом пути больших успехов. Важную роль в исследованиях того периода играло понятие симметрии. Придав понятию геометрической симметрии более общий и абстрактный характер, физики приобрели очень ценный критерий для классификации частиц.

В повседневной жизни самым наглядным примером симметрии является отражение в зеркале; мы говорим о фигуре, что она симметрична, в том случае, если через центр этой фигуры можно провести прямую (рис. 45), которая разделит ее на две части, являющиеся зеркальными отражениями друг друга. Более высокий уровень симметрии предусматривает наличие нескольких линий, или осей симметрии, как, например, в одном из символических изображений, использующихся в буддизме (см. рис. 46).

Однако отражение- не единственная операция, позволяющая достичь симметрии. Мы называем симметричной и такую фигуру, которая не изменяет своего облика, будучи повернута на определенный угол вокруг. своей оси. Симметрия вращения используется, в частности, в знаменитом китайском символе Тайцзи, или Великого предела, выражающем идею объединения двух начал--ИНЬ и ЯН (см. рис. 47).

В физике частиц явления симметрии зачастую связаны не только с процессами отражения и вращения, а последние могут происходить не только в обычном пространстве (и времени), но и в абстрактных математических пространствах. Симметричными могут быть отдельные частицы или их группы, а поскольку свойства частиц определяются их способностью участвовать во взаимодействиях, или процессах, все операции, позволяющие достичь симметрии, связаны здесь с "законами сохранения". Если какой-либо субатомный процесс характеризуется симметрией, можно с уверенностью утверждать, что в нем принимает участие некая константа, или постоянная величина. Константы являются маленькими островками стабильности в сложном танце субатомной материи и могут помочь нам в описании взаимодействий частиц. Некоторые величины остаются константами, или "сохраняются", во всех взаимодействиях, некоторые--только в их части. В результате в каждом процессе принимает участие определенное количество констант. Поэтому симметричность частиц и их взаимодействий воплощается в законах сохранения. Физики используют обе эти формулировки, говоря то о симметрии процесса, то о соответствующем законе сохранения.

Существуют четыре основные разновидности законов сохранения, представляющихся общими для всех процессов. Три из них связаны с простыми операциями, позволяющими достичь симметрии в обычном пространстве и времени. Все взаимодействия частиц характеризуются симметричностью в отношении пространственных перемещений: в Лондоне они происходят точно таким же образом, как и в Нью-Йорке. Они обладают симметричностью и в отношении перемещений во времени, протекая во вторник точно так же, как и в четверг. Одна из симметрий связана с сохранением импульса, вторая-с сохранением энергии. Это означает, что суммарная величина импульса, принимающего участие в каком-либо взаимодействии, а также суммарное количество энергии частиц, включающей их массы, остаются постоянными до начала реакции и после ее завершения. Третий основополагающий тип симметрии связан с расположением в пространстве. Смысл этой симметрии заключается в том, что направление движения частиц, принимающих участие во взаимодействии (скажем, вдоль оси север-юг или запад-восток), не оказывает никакого влияния на результаты взаимодействия. Как следствие этой закономерности, суммарное количество вращения не должно изменяться во время процесса. Наконец, четвертым законом является закон сохранения электрического заряда. Он связан с более сложной операцией симметрии. однако его формулировка в качестве закона сохранения предельно проста: суммарный электрический заряд, присущий всем участвующим в столкновении частицам, остается неизменным.

Существует еще несколько законов сохранения, связанных с операциями симметрии, в абстрактных математических пространствах, как и закон сохранения электрического заряда. Некоторые из них соблюдаются во всех процессах, некоторые--только в определенных их разновидностях (как, например, при сильных электромагнитных, но не при слабых воздействиях). Соответствующие константы можно рассматривать как "абстрактные заряды" частиц. По той причине, что эти "заряды" всегда принимают целые или "полуцелые" значения, они получили название "квантовые числа", по аналогии с квантовыми числами атомной физики. Следовательно, каждая частица соотносится с определенным набором квантовых чисел, которые зависят от ее массы и полностью характеризуют все ее свойства.

Например, адроны характеризуются такими величинами, как "изоспин" и "гиперзаряд". Эти два квантовых числа являются константами во всех сильных взаимодействиях. Если мы расположим восемь мезонов, перечисленных в таблице в предыдущей главе, в соответствии со значениями этих двух квантовых чисел, то получим гексагональный паттерн, известный в современной физике под названием "мезонный октет". При таком расположении мы наблюдаем несколько осей симметрии: так, частицы и античастицы занимают в шестиугольнике противоположные позиции, а две частицы в центре являются античастицами друг для друга. Аналогичный паттерн образуют восемь наиболее легких барионов. Он носит название "барионный октет". Отличие заключается в том, что в последнем случае античастицы не входят в нее, а образуют идентичный ей энтиоктет. Последний, девятый барион из нашей таблицы--омега, вместе с девятью резонансами принадлежат к другому паттерну--"барионная десятка". Все частицы, принадлежащие тому или иному симметричному паттерну, имеют одинаковые квантовые числа, за исключением изоспина и гиперзаряда, от которых зависит их расположение внутри паттерна. Так, все мезоны в октете имеют нулевой спин (то есть не вращаются совсем): барионы в октете имеют спин, равный 1/2 (??? - сбой сканнера), а в барионной десятке--3/2 (см. рис. 49).

Квантовые числа используются не только для классификации частиц и разделения их на "семьи", формирующие четкие симметрические паттерны, и для определения положения каждой частицы внутри соответствующего паттерна, но и для классификации взаимодействий частиц в зависимости от присущих им законов сохранения. Таким образом, два взаимосвязанных понятия--понятия симметрии и сохранения--оказываются чрезвычайно полезными при описании закономерности мира частиц.

Поразительно то, что все эти закономерности приобретают гораздо более простой вид, если мы придерживаемся той точки зрения, что адроны состоят из небольшого количества элементарных единиц, которые до сих пор ускользали от непосредственного наблюдения. Эти единицы получили название "кварков". Этот термин был впервые использован Мюрреем Гелл-Манном, который заимствовал это слово из романа Джеймса Джойса "Поминки по Финнегану", содержащего такую строку: "Три кварка для Мастера Марка", и применил его для обозначения постулированных им частиц. Гелл-Манну удалось объяснить большое количество таких адронных паттернов, как описанные выше октеты и барионные десятки, приписав трем своим кваркам и их антикваркам соответствующие значения квантовых чисел и составляя из них различные сочетания для того, чтобы получить барионы и мезоны, квантовые числа которых складываются из квантовых чисел составляющих их кварков. При этом предполагается, что барионы "состоят" из трех кварков, их античастицы - из соответствующих антикварков, а мезоны - из сочетания кварка и антикварка.

Простота и эффективность этой модели совершенно очевидны, но, считая кварки реальными физическими составляющими адронов, мы неизбежно столкнемся с непреодолимыми трудностями. До сих пор, несмотря на самые активные старания физиков обнаружить кварки при помощи бомбардировки адронов наиболее "скоростными" частицами--"снарядами", все их попытки были обречены на неудачу. Этот результат может, по всей видимости, означать только одно, а именно: то, что кварки должны быть связаны между собой очень мощными силами притяжения. Наши нынешние представления о частицах и их взаимодействиях предполагают, что за всеми силами в действительности стоит обмен более мелкими частицами, то есть, что кварки имеют некую внутреннюю структуру, подобно всем остальным сильновзаимодействующим частицам. Но в модели Гелл-Мапна кварки рассматриваются в качестве точечных лишенных структуры единиц. Из-за этого несоответствия физикам до сих пор не удается сформулировать кварковскую модель таким образом, чтобы одновременно учесть и симметрию, и силы притяжения.

За последнее десятилетие ведущие специалисты по экспериментальной физике предприняли настоящую "охоту за кварком", которая до сих пор не увенчалась успехом. Если отдельные кварки могут существовать самостоятельно, сами по себе, их детекция не должна представлять больших затруднений, так как модель ГеллМанна приписывает им ряд очень необычных свойств, как, в частности, обладание электрическим зарядом, равным одной или двум третям заряда электрона, что принципиально невозможно в мире частиц. До сих пор таких частиц обнаружить не удавалось. Невозможность обнаружить кварки экспериментальным путем, в сочетании с серьезными теоретическими возражениями против их существования, сделали вероятность их существования довольно проблематичной.

С другой стороны, кварковая модель продолжает оставаться в высшей степени уместной для описания закономерностей мира частиц, хотя она уже давно не используется в своей первональной форме. Согласно формулировке Гелл-Манна, все адроны могут состоять из кварков трех типов и их антикварков, однако к настоящему времени физикам пришлось постулировать существование дополнительных кварков для того, чтобы объяснить все многообразие адронных паттернов. Три кварка Гелл-Манна получили довольно условные обозначения: u (от английского слова "up"--"вверх"), d (от английского слова "down" - "вниз) и s (от английского слова "strange" - "странный). Первым дополнением к первоначальной концепции, возникшем в результате применения кварковой гипотезы ко всему массиву данных о мире частиц, было положение, согласно которому каждый кварк должен обладать тремя потенциальными состояниями, или цветами. Слово "цвет" используется здесь довольно произвольно и не имеет ничего общего с нашим понятием цвета. Согласно модели разноцветных кварков, барионы состоят из трех кварков разных цветов, а мезоны--из пары кварк-антикварк одного и того же цвета.

Введение понятия цвета увеличило количество кварков до девяти, а недавно было постулировано существование еще одного, уже четвертого, кварка, который тоже может появляться в любом из трех цветов. Из-за любви физиков к необычным названиям этот новый кварк был обозначен при помощи буквы "с" (от английского слова "charm"--"очарование"). В результате кварков стало двенадцать--четыре разновидности, каждая из которых может существовать в трех цветах. Для того, чтобы разграничить понятия разновидности и цвета, физики ввели понятие "аромата", и говорят теперь о кварках различных цветов и ароматов.

Многообразие закономерностей, находящих объяснение при помощи этой "двенадцатикварковой" модели, представляется воистину впечатляющим (в послесловии разговор о кварках продолжается с учетом более современных исследований в этой области). Нет никакого сомнения в том, что для всех адронов характерны "кварковые симметрии", и, хотя наше сегодняшнее понимание частиц и их взаимодействий плохо соотносится с возможностью сосуществования физических кварков, адроны очень часто ведут себя таким образом, как если бы они в самом деле состояли из точечных элементарных компонентов. Парадоксальная ситуация вокруг кварковой модели очень похожа на ситуацию, сложившуюся накануне возникновения атомной физики, когда настолько же очевидная парадоксальность физической действительности побудила ученых осуществить радикальный переворот в понимании атомов. Загадка кварков обладает всеми признаками нового Коана, решение которого тоже может повлечь существенное изменение наших воззрений на природу субатомных частиц. По сути дела, это изменение уже происходит на наших глазах. Его описанию посвящены следующие главы. Некоторые физики приблизились к решению кваркового коана уже сегодня, что позволяет им соприкоснуться с наиболее удивительными сторонами физической действительности.

Обнаружение симметричных паттернов в мире частиц привело физиков к выводу о том, что эти паттерны являются отражением фундаментальных законов природы. За последние пятнадцать лет усилия многих исследователей были посвящены поиску высшей, наиболее "фундаментальной симметрии", которая была бы характерна для всех частиц, и могла бы поэтому помочь ученым понять принципы строения материи. Подобный подход был характерен для европейской науки со времен Древней Греции. Греческая наука, философия и искусство придавали очень большое значение симметрии, вкупе с геометрией, и видели в ней воплощение красоты, гармонии и совершенства. Так, например, пифагорейцы считали, что сущность всех вещей определяется симметричным числом паттернов; Платон был уверен в том, что атомы четырех элементов представляют собой твердые тела; большинство греческих астрономов придерживались концепции, согласно которой все небесные тела движутся по окружностям, поскольку круг---самая симметричная геометрическая фигура.

Восточные философы отводили симметрии совершенно другое место. Последователи дальневосточных мистических традиций часто используют симметричные паттерны при медитации или в качестве символов, однако понятие симметрии не играет заметной роли в их философии. Напротив, оно, как и все понятия, считается продуктом мыслительной деятельности человека, а не свойством, присущим самой природе. Поэтому восточные мудрецы не придают симметричности большого значения. В соответствии с этим философским подходом восточное искусство часто использует асимметричные очертания и последовательности и избегает всех правильных и геометрических форм. Во вдохновленной учением дзэн живописи Китая и Японии мы нередко встречаем изображения в так называемом "стиле одного угла": расположение камней в японских садах не подчиняется правилам симметрии, что еще раз подтверждает, что роль симметрии в восточной культуре сильно отличается от ее роли в культуре Европы.

По всей видимости, стремление к поиску фундаментальной симметрии в физике частиц является частью нашего эллинического наследия, которое, тем не менее, плохо соотносится с общим мировоззрением современной науки. Однако подчеркнутое внимание к симметриям характерно не для всех направлений физики частиц. Наряду со статическим, "симметрическим" направлением в ней представлена и "динамическая" школа, которая стремится рассматривать паттерны частицы не как конечный уровень устройства мира, а как нечто вторичное, своего рода проявление динамической природы субатомной действительности и принципиальной взаимосвязанности и нераздельной слитности всех происходящих в ней явлений. В последних двух главах повествуется о том, как в течение десяти последних лет в рамках этого динамического направления возник совершенно новый подход к рассмотрению симметрий и законов природы, который вполне гармонирует как с мировоззрением современной физики, так и с восточными мистическими учениями.

Поиск по сайту: