Казалось бы, после удачи с супермультиплетной классификацией все вопросы получили или, по крайней мере, должны были получить надлежащий ответ. Однако беспокойный народ эти физики. Если позволите — небольшая реминисценция. Иначе говоря — смутное воспоминание, наводящее на сопоставление…
Помните время, когда Дмитрию Ивановичу Менделееву удалось разделить множество слабоупорядоченных химических элементов на строгие группы? Сколько было удач! Тут и объяснение свойств элементов и предсказания еще не открытых. Великий химик не упустил возможностей. Он сделал, что мог. Но одновременно сколько сил отдал он поискам «элемента ИКС», из которого могли быть построены все остальные химические элементы, включая и самый первый — водород?..
Поистине стремление свести многообразие окружающего мира к единым началам лежит у нас в крови…
В физике элементарных частиц тоже был подобный период. Вспомните работы Ферми и Янга, работы Тамма и Сакаты. Сколько усилий было употреблено, чтобы найти исходные частицы, из которых удалось бы построить все остальные. Со временем эти попытки вроде бы прекратились. Может быть, причина была в увлечении супермультиплетами…
Уже в начале 60-х годов количество элементарных частиц, которые считались составляющими частями атома, стало приближаться к двум сотням. Тут было от чего прийти в уныние. Слишком много «первоначал» оказывалось у природы, чтобы все они могли считаться действительно элементарными. Каков же выход? Следовало отыскать некие «субчастицы», из которых можно было бы составить большинство известных…
Что же должны были они из себя представлять? Прежде всего истинно элементарные частицы не могут иметь внутренней структуры, кроме того… Но лучше давайте перенесемся в Калифорнийский технологический институт, где на кафедре физики работает тридцатипятилетний профессор Мюррей Гелл-Манн. Кстати, в том же учебном заведении с недавних пор трудится и двадцатисемилетний выпускник Мичиганского университета Джордж Цвейг… В 1964 году оба они совершенно независимо друг от друга выдвинули сходную гипотезу существования «субчастиц» весьма странного вида. По предложению американских ученых в качестве «первооснов» нашей Вселенной должны служить частицы двух типов, или двух «ароматов».
Я надеюсь, что никто из читателей не подумает, что предложенные «субчастицы» благоухали, подобно цветам из райского сада. Отнюдь! Ароматы — это просто свойства, по которым типы субчастиц различались между собой. И связаны были эти свойства (или «ароматы»), например, с электрическим зарядом или иными квантовыми числами, которые под влиянием слабого взаимодействия могут меняться.
Одним из самых неожиданных предположений Гелл-Манна и Цвейга явилось то, что электрические заряды каждой субчастицы должны были быть дробными. Одна несла на себе + 2/3 заряда электрона, другая — 1/3. Обе же вместе они образовывали дублет. Авторы новой теории разошлись в названиях: Цвейг именовал свои частицы «тузами», а Гелл-Манн позаимствовал для своих название из книги английского писателя Дж. Джойса «Поминки по Финегану». Это был туманный термин «кварк». Туманный, потому что в самой книге не ясно, что он обозначает, и в переводе, например, с немецкого это слово одновременно значит: первое — «творог», второе — «грязь», а третье — «чепуха»… Физики — народ остроумный. Предложение Гелл-Манна понравилось, и «кварки» прижились.
Чтобы подчеркнуть, что по всем остальным своим свойствам, кроме заряда, кварки почти не отличаются друг от друга, их обозначили буквами «u» и «d», от английских слов «up» и «down», что в переводе значит «верх» и «низ» соответственно. Это различие связывалось с определенными квантовыми характеристиками. При таком «раскладе», например, нейтрон и протон легко составлялись каждый из трех кварков: нейтрон — из uud, с зарядом + 2/3 + 2/3 — 1/3 = 1, а нейтрон — из udd, с зарядом + 2/3 — 1/3 — 1/3 = 0. Каждый кварк по законам симметрии имел свой антикварк.
Впрочем, уже тогда для объяснения строения странных частиц ученым пришлось ввести и третий кварк. Его назвали «странный» или «strange» и обозначили буквой «s». Но странные частицы не могут превращаться в протоны и нейтроны, и потому для их характеристики Гелл-Манн ввел новое квантовое число, получившее название «странность».
Впрочем, здесь лучше дать слово специалисту. Вот как пишет об этом известный советский ученый, доктор физико-математических наук профессор Я. А. Смородинский: «…несколько лет назад была высказана простая и понятная идея, что все элементарные частицы состоят из трех самых элементарных частиц — кварков».
«Боже мой! — вправе воскликнуть читатель и, схватившись руками за голову, закачаться наподобие древнего дервиша, узревшего джинна. — Опять все сначала!»
И он будет почти прав, наш уважаемый читатель. Почти, потому что не с самого начала…
Кварки, из которых Гелл-Манн (все тот же неугомонный Гелл-Манн) и второй физик, независимо от него, — Дж. Цвейг — предлагали строить все остальные частицы, должны были иметь одно необычное свойство — их электрические и барионные заряды должны были быть дробными, кратными одной трети.
Получалось, что электрон уже не является больше носителем минимального неделимого «атома электричества»? Ну и что же? Это обстоятельство нимало не смущало физиков. Два кварка, по их предположениям, образовывали зарядовый дублет так же, как, например, протон с нейтроном. Чтобы подчеркнуть, что они почти не различаются, Фейнман предложил назвать их «и» от слова «up», что в переводе означает «верх», и «d» от слова «down» — «низ». Третий кварк — одиночка — составлял синглет подобно ламбда-гиперону (из числа странных частиц) и потому получил символ «s» от слова «strange» — странный.
| Название | Символ | Электрический заряд | Барионный зяряд | Странность |
| Кварк | u | + 2/3 | + 1/3 | 0 |
| Кварк | d | — 1/3 | + 1/3 | 0 |
| Кварк | s | — 1/3 | + 1/3 | — 1 |
У каждого кварка был и свой антикварк, у которого все знаки перед приведенными в таблице величинами обратны. Спин кварков приняли равным половине. Теперь из трех новоиспеченных первоначал оказалось нетрудно сложить все имеющиеся частицы…
Кварки, нарисованные Альваро де Рухула о Тбилиси
Гипотеза кварков оказалась чрезвычайно полезной. Мало того, что из них составлялись модели всех частиц. С помощью кварков можно было определить магнитные моменты этих частиц и даже тип распада. Если бы кварки существовали как тяжелые частицы, то при синтезе из них адронов должно было выделяться фантастическое количество энергии — в тысячи и тысячи раз больше, чем при термоядерных реакциях. Это обстоятельство могло бы помочь астрофизикам объяснить непонятные пока, слишком мощные для известных нам физических процессов, взрывы в ядрах галактик и других небесных объектах.
Короче говоря, кварки надо было срочно открыть экспериментально! Сегодня о том, какие усилия и сколько «хитрости» было приложено учеными всего мира, чтобы обнаружить кварки, уже можно написать увлекательный роман. Но, увы, это будет роман без конца! Пока, несмотря на все усилия, ни на Земле, ни в космосе кварки не найдены.
«…Сомнительно, что кварки существуют в свободном состоянии. Так же как звук не существует в пустоте, так и кварки не могут существовать в свободном состоянии, хотя возможно, что они играют важную роль в структуре элементарных частиц». Эти слова, выражающие довольно распространенную точку зрения большинства специалистов, принадлежат члену-корреспонденту Академии наук СССР Д. И. Блохинцеву.
Получается, что кварки в принципе невозможно обнаружить, раз их нельзя отделить от адронов, частью которых они являются… Чтобы пояснить это более наглядно, вспомним обычный магнит. Сколько бы мы ни резали его на куски, нам никогда не удается отделить северный полюс от южного. Может быть, так же обстоят дела и с мезоном, состоящим из кварка и антикварка? Любая попытка разделить его на составляющие приводит к тому, что мы получаем каждый раз два мезона…
Однако несмотря на то, что кварки до сих пор не найдены экспериментаторами, теория их развивается. В 1965 году была выдвинута гипотеза существования новой разновидности кварков. Шелдон Глэшоу, один из авторов гипотезы, так рассказывал об этом: «Эстетические доводы привели Бьеркена и меня к идее четвертого кварка. Поскольку лептоны и кварки — наиболее фундаментальные частицы и имеются четыре вида лептонов, то почему бы и кваркам не иметь четырех видов? Мы назвали наш кварк «очарованным» — «charmed», так как были восхищены и очарованы той симметрией, которую он внес в мир субъядерных частиц».
Но были, конечно, и необходимые теоретические предпосылки в пользу существования чарм-кварка, помимо эстетических. Эти важные теоретические положения были разработаны группой Глэшоу в 1970 году.
Однако гипотеза о существовании «очарованных кварков» далеко не всеми учеными принималась на веру. Очень уж не хотелось увеличивать количество «первооснов». После того как кварков стало четыре, молодой сотрудник Глэшоу, теоретик Альваро де Рухула на международной конференции 1976 года в Тбилиси показал четыре шуточных рисунка кварков. Напечатанные в том же году солидным научным журналом символы де Рухулы прижились, закрепив окончательно и названия гипотетических частиц: Up, Down, Strange и Charmed. Но уже в том же журнале есть примечание, гласящее, что только разнообразие цветов может дать нарисованным кваркам всю юридическую полноту прав. Что это значит? Увы, это значит, что помимо четырех кварков их следует еще различать и по «цвету»… Конечно, здесь цвет следует понимать не в обычном смысле, а в том, в каком мы уже приняли термин «странность» и «очарование». Цвет — это просто новое квантовое число, которое может принимать три значения. Смысл его так велик, что одна из теорий, объясняющая сильнее взаимодействия кварков и глюонов получила название «квантовой хромодинамики» — КХД.
Теория кварков пока очень сложна. В ней еще немало таких мест, которые неясны и самим специалистам. Но такой была участь многих теорий в период их рождения.
Так выглядит фотография акта рождения и распада новой частицы антисигма-минус-гиперона, открытой лубненскими физиками в I960 году
Следует ли из всего сказанного выше считать, что мы вернулись к отвергнутому некогда предположению о единстве первоначал, составляющих основу мира? И что этими первоначалами являются кварки? Пожалуй, вместо того, чтобы сказать категорическое «да» или не менее категорическое «нет», приведу-ка я лучше еще одну точку зрения, бытующую среди физиков нашего времени. Дело в том, что одной из самых больших неожиданностей микромира является способность сильно взаимодействующих частиц превращаться друг в друга, рождаться вдруг и также вдруг исчезать. Вокруг протона и нейтрона, как выяснилось, имеется целое облако мезонов, которые определяют свойства нуклонов. Но в то же время каждый мезон сам построен из нуклонов и антинуклонов… «В известном смысле, — говорит академик М. А. Марков, — можно сформулировать тезис, что «Все» (то есть каждая элементарная частица) состоит из «Всего» (то есть из всех элементарных частиц). Конечно, ничего подобного не было за всю предыдущую историю атомизма».
При такой «ядерной демократии», когда все сильно взаимодействующие частицы оказываются равноправными, понятие первоматерии как бы исчезает. Ведь «все», из чего может быть построен любой атом, молекула и так далее, является одновременно и перво- и послематерией.
Еще более крайний характер отрицания существования главных частиц, составляющих основу мира, носит так называемая теория бутстрапа. (Этот термин произошел от английского выражения «поднять себя за шнурки», что равноценно русскому — «поднять себя за волосы»). По этой теории, вернее назвать ее еще одной теоретической гипотезой, каждая элементарная частица является сложной динамической системой. Она неразрывно связана со всеми остальными частицами, которые ее по родили, и сама участвует в процессе такого же рождения всех других.
Но ведь это и есть то самое «все из всего», о котором говорил советский академик. Такой взгляд имеет давние традиции. Еще в древнеиндийской философии существовал взгляд на мир, гласящий, что каждый индивидуальный объект содержит в себе все остальное… Есть даже миф, в котором рассказывается о жемчужном ожерелье Индры, в каждом зерне которого отражались все остальные…
По мнению Дж. Чу, одного из создателей бутстрап-гипотезы, равноправие всех частиц является большим достижением, чем «аристократичность» кварков. «Будь кварки фундаментальными частицами, — пишет он, — предстояло бы еще понять, что они встречаются только тройками, а не комбинациями из другого количества частиц».
Существование таких противоположных гипотез, как кварки и бутстрап, с одной стороны конструирующие адроны из кварков, а с другой — утверждающие, что все состоит из всего, говорит о глубоком кризисе, который переживает сейчас само понятие элементарности.
Ну, а что же думает сам создатель теории «восьмиричного пути»? В 1964 году лауреат Нобелевской премии М. Гелл-Манн приезжал в Советский Союз в Дубну на Международную конференцию по физике высоких энергий. И, конечно, ему был задан вопрос: «А существуют ли кварки?».
— Who knows?.. — ответил Гелл-Манн. — Кто знает?..
Это состояние с тех пор так и сохраняется с завидным упорством. Прошло четверть века. К 1989 году, когда пишутся эти строки, все еще ни одного кварка экспериментаторы не получили, несмотря на всю свою оснащенность грандиозной аппаратурой. Между тем эти «простейшие» и удобнейшие кирпичики материи в записях физиков-теоретиков живут, развиваются и… множатся! Увы! Но именно так…
Помните, в конце статьи «Попытка классификации элементарных частиц» я рассказывал о том, как физики-теоретики пришли к мысли, что им позарез нужен массивный гиперон с отрицательным электрическим зарядом и, разумеется, с нулевым изотопическим спином. Переверните несколько страниц назад, перечитайте последние строчки примечания… Тяжелая частица была названа «Омега-минус гиперон» и после долгих поисков все же нашлась. Она оставила следы на одной из бесчисленных фотографий. Однако дальше начались трудности. Как составить Ω—-гиперон из кварков? Сначала показалось, что сделать это очень просто: взять три кварка — я имею в виду s-кварки, с параллельными спинами — и получится суммарный спин 3/2, столь желанный, даже необходимый, поскольку именно он имеется в наличии у нового гиперона…
Но кто это там в прошлом машет руками? Тень почтенного Вольфганга Паули. Так и слышится его излюбленная фраза: «Aber das ist ganz falsch!», что в переводе означает возмущенное: «Но это же совершенно неверно».
В домашней обстановке Мюррей Гелл-Манн рассказывает, что среди физиков ходит такой анекдот: «После смерти Паули попал в рай и, сгорая от нетерпения, потребовал свидания с господом богом. Продравшись сквозь бюрократические препоны, он предстал перед всевышним и сразу засыпал его вопросами: почему господь создал частицы именно так, как создал, и, в частности, зачем существует мюон? Господь выслушал все это, естественно, с безграничным терпением, а затем стал читать Паули лекцию об элементарных частицах. В первой части лекции Паули вынужден был все время кивать головой; даже когда всевышний сказал: «Паули, трудность в том, что вы задаете не те вопросы», Паули кивнул. Но вот когда господь углубился в математическую сторону теории, Паули стал крутить головой, показывая, что он обнаружил нечто; наконец, не в состоянии больше сдерживаться, он вскочил и, как всегда, закричал: «Aber das ist ganz falsch!» — и указал на ошибку».
Что же такого необычного в нашей конструкции омега- минус гиперона могла увидеть тень Паули? Это конечно, нарушение принципа запрета Паули! Вспомните, это тот самый знаменитый, многократно проверенный принцип, запрещающий кваркам занимать одинаковые состояния в адроне. Как же быть? Выход был один — предположить, что s-кварки могут находиться в омега-минус гипероне в разных состояниях, отличающихся друг от друга еще каким-то квантовым числом. Советский физик Николай Николаевич Боголюбов и ряд других ученых предложили назвать это новое свойство кварков цветом. И таких «цветов» у кварков должно быть три, скажем, так: «красный», «желтый» и «синий». Почему именно они? Можно выбрать и другие, поскольку «цвета» кварков не имеют ничего общего с цветом. Но те, которые я назвал, удобнее. Потому что тогда у антикварков можно эти состояния обозначить дополнительными «цветами», — «оранжевым», «зеленым» и «фиолетовым». Чем же это удобно? Во-первых, сохраняется знаменитая мнемоническая фраза: «Каждый охотник желает знать, (где) сидят фазаны» — фраза, которая всем нам со школьной скамьи помогает запомнить последовательность цветов в радуге. А во-вторых, обычный барион, составленный из цветных кварков, можно считать по смешению цветов белым…
Правда, количество кварков при этом возрастает втрое. Очень этого всем не хотелось. Но ничего не поделаешь, «цвет» пришлось ввести!..
Я уже говорил, что свойства, по которым можно различать типы или виды кварков, физики назвали «ароматом». Ароматы связаны с электрическим зарядом частиц и могут меняться под воздействием слабого взаимодействия. Потом как-то неожиданно даже для самих теоретиков экспериментаторы вынудили их пойти на введение еще одного кварка с зарядом —1/3. Его назвали «красивым». А когда и он утвердился, то некоторые специалисты потребовали и большинство согласилось на добавление ему партнера по дублету — t — кварка, или «истинного» кварка, с зарядом +2/3 (сегодня физики называют тех чаще «bottom» — «низ, нижняя часть», и «top» — «вверх, верхушка»). В результате в «конструкторе» физиков оказались шесть кварков трех разных «цветов», то есть восемнадцать частиц и столько же античастиц. Правда, истинный кварк пока еще пишут в скобках, поскольку абсолютной уверенности в его существовании кое у кого еще нет. Но значит ли это, что именно этой шестой частицей список «кирпичей мироздания» будет закончен?
«Who knows?» — ответил в 1964 году наш гость Мюррей Гелл-Манн. «Who knows?» — повторим и мы вслед за ним сегодня, через двадцать пять лет…