SUPERFORCE

П.Девис

ББК 22.382

Девис П.

Д25 Суперсила: Пер. с англ./Под ред. и с предисл. Е. М. Лей-кина. —М.: Мир, 1989. —272 с., ил.

Наука во все времена стремилась построить целостную картину окружающего мира. В последние десятилетия физики как никогда приблизились к осуществлению этой мечты: вырисовываются перспективы объединения четырех фундаментальных взаимодействий природы в рамках одной суперсилы, и физика микромира все теснее сливается с космологией — теорией происхождения и эволюции Вселенной.

Обо всем этом в популярной и увлекательной форме рассказывает книга известного английского ученого и популяризатора науки Пола Девиса (знакомого советскому читателю по книге “Пространство и время в современной картине Вселенной”. — М.: Мир, 1978).

Адресована всем, кто интересуется проблемами современной фундаментальной науки, особенно полезна преподавателям и студентам как физических, так и философских факультетов вузов,

Предисловие редактора перевода

Повествуя о достижениях науки, ее новых идеях, подчас далеко не очевидных, автор демонстрирует глубокие профессиональные знания и тонкое мастерство в изложении сложных вопросов на уровне, доступном широкому кругу читателей. Тем не менее книгу П. Дениса никак нельзя отнести к разряду легкого, занимательного “чтива”, и она, безусловно, потребует от читателя определенных усилий, вознаградив его богатством содержащегося в ней материала.

Характер изложения материала в научно-популярной литературе не может подчиняться строгим канонам — ведь каждый автор делится с читателем своим личным восприятием строгих научных истин, в оценке которых, как показывает практика, даже у специалистов нередко возникают самые противоречивые суждения. На наш взгляд, П. Девису при рассказе о новейших научных идеях удалось найти такой подход, который примут большинство читателей. Думается, что и эмоциональная оценка автором основных достижений современной физики вызовет одобрение. Даже если современный читатель скептически воспримет описанную автором обстановку “интеллектуального стресса”, сопровождавшего распространение квантовых представлений примерно полвека назад, то, дойдя до описания опытов по проверке природы квантовой неопределенности, выполненных А. Аспеком и его коллегами из Парижского университета, он вынужден будет вслед за Гамлетом воскликнуть: “И в небе и в земле сокрыто больше, чем снится вашей мудрости, Горацио!”. Это при том, что нынешние поколения изучающих физику уже не приходят в недоумение, впервые столкнувшись с парадоксальными с точки зрения повседневного опыта явлениями квантового мира. Следует отметить, что под “новой физикой” сегодня, как правило, понимают уже не теорию относительности и квантовую механику, а новые идеи, основанные на суперсимметрии и т. п.

Хотя автор закончил работу над книгой несколько лет назад, можно смело утверждать, что ее содержание не потеряет актуальности еще довольно долго. Проблемы, о которых рассказано на страницах книги, останутся предметом многочисленных экспериментальных исследований на протяжении 5—10, а возможно, и 15 ближайших лет, когда в различных лабораториях мира будут введены в действие коллайдеры нового поколения. Однако уже сегодня ясно, что и тогда далеко не все фундаментальные проблемы физики получат свое решение. Иначе говоря, книге П. Девиса можно почти безошибочно предсказать долгий читательский интерес.

И наконец, о “самой главной” особенности книги. Автору удалось показать, что современной науке под силу не только описание отдельных явлений или даже целого круга фактов. Сегодня наука способна нарисовать единую последовательную картину мироздания. Читатель становится свидетелем того, как на смену многовековым метафизическим или мистическим представлениям приходит истинно научное понимание эволюции и строения Вселенной.

Как уже говорилось, книга Девиса касается самых передовых рубежей науки, и даже подготовленный читатель вряд ли может рассчитывать в одинаковой мере усвоить все затронутые в ней вопросы. Хочется надеяться, что это не охладит его интереса к предмету. А тем, кто желает быть в курсе новостей науки, следует обратиться к научно-популярной периодике, в первую очередь к журналам “Наука и жизнь”, “Природа”, “В мире науки”. Специалистам смежных с физикой областей можно порекомендовать отдельные статьи в журнале “Успехи физических наук”, а также книгу Л. Б. Окуня “Физика элементарных частиц” (М.:

Наука, 1984), в которой дан обзор основных достижений и проблем физики элементарных частиц.

Книга П. Девиса адресована широкой читательской аудитории, прежде всего тем, кто так или иначе соприкасается с физикой в процессе учебы или работы. Ее с неослабевающим вниманием прочтут все, кто интересуется физикой, фундаментальными проблемами науки, ее достижениями и путями развития. Научно-популярные книги такого рода способны помочь молодым людям найти свое призвание, привлечь талантливую молодежь к решению актуальных проблем современной науки, без чего трудно представить себе ее ускоренное развитие и высокий темп научно-технического прогресса.

Вступление

В этой книге я рассказал о том, что можно было бы назвать величайшим триумфом новой физики, — о полной теории Вселенной, включая ее происхождение. Начало этой поразительной перспективе было положено серией существенных продвижений в нашем познании сил, точнее взаимодействий, управляющих природой. Последние исследования свидетельствуют о существовании некой главенствующей суперсилы, различными проявлениями которой служат все известные нам взаимодействия. Новые открытия проложили путь к радикально новой концепции единой Вселенной, рожденной в результате чудовищного катаклизма, в котором под действием суперсилы из первичного горнила возникли все физические системы.

Этот переворот в нашем понимании Вселенной происходит ныне. И сейчас, когда я пишу эти строки, приходят сообщения о новых успехах и открытиях в исследовании тех вопросов, о которых пойдет речь в дальнейшем. Преждевременно объявлять новые смелые идеи твердо установленными, но общее представление быстро получает признание ученых, работающих в области фундаментальной физики. Я написал эту книгу, желая поделиться с широкой общественностью тем восхищением и энтузиазмом, которые вызывают у меня поразительные достижения современной физики. Хотя многие из ее концепций трудны для понимания и далеки от повседневных реалий, я старался излагать их по возможно и непринужденно, языком, доступным для неспециалиста.

Работая над книгой, я продолжал с пользой для себя многочисленные плодотворные дискуссии с друзьями и коллегами.

Многое в содержании книги отражает прекрасные мысли и суждения, рожденные в этих беседах. Я особенно признателен моим ближайшим коллегам по университету в Ньюкасле Стивену Беддингу и Иану Моссу, оказавшим мне большую помощь в выяс-нении технических деталей. Существенную помощь и информацию я получил также от Алана Гута и проф. Мартина Риса.

В книге нередко встречаются очень большие и очень малые числа. Для их записи удобнее пользоваться специальными обозначениями степеней числа 10:

Например,

Аналогичным образом,

Например,

и т. д.

Рождение Вселенной и поиск суперсилы

Рассказы о приключениях любят все. Одна из самых захватывающих приключенческих историй всех времен развертывается ныне в таинственном мире фундаментальной физики. Действующие лица ее — ученые, а цель их поисков превосходит самое смелое воображение: речь идет не больше и не меньше как о “ключе” к Вселенной.

Важнейшее научное открытие нашего века состоит в том, что окружающий нас физический мир существовал отнюдь не всегда. У науки нет более увлекательной задачи, нежели объяснить, как возникла Вселенная и почему она устроена так, а не иначе. Думаю, что за последние годы в решении этой проблемы достигнуты определенные успехи. Впервые за всю историю человечества мы располагаем разумной научной теорией всего сущего. Это поистине революционный беспримерный прорыв в нашем понимании окружающего мира, который оставит глубокий след в развитии представлений человека о Вселенной и его месте в ней.

У истоков этих драматических событий лежит ряд существенных открытий, сделанных за последнее десятилетие в фундаментальной физике, особенно в области под названием физика высоких энергий. Важные экспериментальные результаты впервые открывают глубокую взаимосвязь субъядерных частиц и скрытых сил, действующих в недрах вещества. Но еще больше впечатляют успехи в области теоретического осмысления 'полученных результатов. Тон задают две новые Концептуальные схемы: так называемая Теория вeликoгo oбъeдинени (ТВО) и суперcиммeтрия. Эти научпые направления совместно приводят к весьма привлекательной идее, согласно которой вся природа в конечном счете подчинена действию некой суперсилы, проявляющейся в различных “ипостасях”. Эта сила достаточно мощна, чтобы создать нашу Вселенную и наделить ее светом, энергией, материей и придать ей структуру. Но суперсила — нечто большее, чем просто созидающее начало. В ней материя, пространство-время и взаимодей-

ствие слиты в нераздельное гармоничное целое, порождающее такое единство Вселенной, которое ранее никто и не предполагал.

Назначение науки по существу заключается в поиске единства. Связывая различные явления в общую теорию или общее описание, ученый как бы соединяет части окружающего нас необычайно сложного мира. Последние открытия в физике вызывают энтузиазм потому, что позволяют охватить в теории все явления природы в рамках единой описательной схемы.

Поиск суперсилы можно проследить вплоть до пионерских работ Эйнштейна и других ученых, пытавшихся построить единую теорию поля. Более столетия назад Фарадей и Максвелл показали, что электричество и магнетизм—тесно связавные-явления, которые можно описать на основе единого электромагнитного поля. Об успехе этого описания можно судить по тоиу коллосальному влиянию, которое оказывают на наше общество радио и электроника, берущие свое начало в концепции электромагнитного поля. Задача распространить процесс объединения, связав электромагнитное поле с другими силовыми полями, например с гравитационным, всегда выглядела весьма заманчиво. Кто знает, какие необыкновенные результаты удалось бы получить на основе подобного объединения?

К тому времени теоретики продвинулись дальше, сформулировав гораздо более амбициозную теорию, объединяющую с электромагнитным и слабым взаимодействиями еще один тип ядерных сил — сильное взаимодействие. Одновременно были получены и первые результаты исследований в области гравитации, показавшие, каким образом гравитационное взаимодействие можно было бы объединить с другими типами взаимодействий. Физики считают, что в природе существуют только четыре перечисленных типа фундаментальных взаимодействий, таким образом, открывается путь к созданию универсальной всеобъемлющей теории,

Если это так, то из первичной энергии в дальнейшем возникла вся материя, из которой построена Вселенная, и вся энергия, которая по сей день питает Вселенную.

Ученые разделились на два лагеря. Одни считают, что наука в принципе способна объяснить Вселенную в целом. Другие склонны думать, что есть некий сверхъестественный элемент бытия, не поддающийся рациональному объяснению. Научные оптимисты, если позволительно называть их так, не отваживаются утверждать, что мы когда-нибудь достигнем исчерпывающего знания всех деталей окружающего нас мира, но упорно настаивают, что любой процесс и любое событие строго соответствуют правилам, вытекающим из законов природы. Их оппоненты отрицают это.

Этот решающий выбор встал перед физикой более остро, чем перед какой-либо другой наукой, отчасти потому, что она является “фундаментальной” наукой. Именно физику надлежит раскрыть природу пространства и времени, фундаментальное строение вещества и действие сил, формирующих объекты, которые вкупе мы и называем Вселенной. Конечная цель физики заключается в том, чтобы объяснить, из чего построен мир, что “скрепляет” его части и как он действует. Если какая-либо часть мира — прошлое, настоящее или будущее — не вписывается в эту программу, то именно у физика это скорее всего вызовет тревогу.

Еще совсем недавно — в середине 70-х годов — некоторые из описываемых в книге достижений казались немыслимыми. Большинство ученых-космологов считали, что, хотя физика в состоянии объяснить эволюцию Вселенной, раз уж та возникла, но происхождение Вселенной лежит вне компетенции физики.

условия — в той мере, в какой это понятие имеет смысл с точки зрения квантовых представлений, — не оказывают влияния на последующее строение Вселенной. Таким образом. Вселенная — в большей мере продукт закономерности, нежели случая.

Тот факт, что наблюдаемая ныне картина Вселенной ведет свое начало от Большого взрыва — а именно это предначертано законами физики, — убедительно свидетельствует о том, что и сами эти законы не случайны или бессистемны, а содержат элемент целесообразности. Несмотря на снижение роли религии, люди продолжают искать высший смысл за пределами бытия. Новая физика и новая космология установили, что наша упорядоченная Вселенная — это нечто гораздо большее, чем последствие гигантского катаклизма. Я убежден, что изучение недавнего революционного переворота в физике и космологии станет источником глубокого вдохновения в поисках смысла жизни.

Наше место в пространстве

Одно из самых ранних воспоминаний моего детства связано С тем, как я спросил отца, где кончается Вселенная. “Как она может где-то кончаться? — ответил отец. — Ведь если бы у пространства была граница, за ней должно было бы находиться еще что-то”. Так я впервые столкнулся с понятием бесконечности и до сих пор помню охватившее меня смешанное чувство озадаченности, благоговейного трепета и восхищения. Оказалось, однако, что этот вопрос решается не столь просто, как пытался меня убедить мой отец.

Посмотрев за пределы нашей Галактики, мы можем увидеть другие галактики, по форме напоминающие нашу; они разбросаны вокруг нас, образуя скопление. Типичной галактикой является Туманность Андромеды, видимая невооруженным глазом как расплывчатое светлое пятно. Эта локальная группа в свою очередь входит в более крупное галактическое скопление и т. д. Современные телескопы позволили обнаружить, что Вселенная заполнена скоплениями галактик, миллионы которых равномерно распределены в пространстве. Из галактик и построена Вселенная.

миллионами световых лет. “Соседняя” галактика, Андромеда, расположена на расстоянии около 2,5 млн. св. лет от нас, а самые мощные телескопы позволяют обнаруживать галактики, удаленные на расстояния порядка 10 млрд. св. лет.

Такая картина Вселенной построена сравнительно недавно. У всех древних цивилизаций существовало убеждение, что Земля находится в центре мироздания. И хотя астрономия во многих древних обществах была довольно развита, подлинное понимание природы звезд и структуры Вселенной пришло только с развитием современной науки.

В древней Европе космологические идеи, как правило, заимствовались у древнегреческих философов. В VI в. до н. э. Пифагор разработал представление о сферической Земле, находящейся в центре сферической Вселенной. Небесные тела считались божественным творением, и представления об их круговых вращательных движениях диктовались соображениями геометрического совершенства. На протяжении столетий греки развивали эту основополагающую концепцию. Наивысшим достижением древнегреческой астрономии явилась сложная модель мира, созданная Клавдием Птолемеем во II в. Вселенная Птолемея представляла собой набор взаимопересекающихся вращающихся сфер, призванных воспроизвести сложные движения Луны и планет.

В этих первых моделях Вселенная обычно имела конечные размеры, но проблема “границы мира” вызывала немалую озабоченность у мыслителей того времени. Римский поэт Лукреций привлек внимание к ней, задавшись вопросом, что произойдет, если кто-нибудь, дойдя до “края света”, метнет копье. Наткнется ли оно на преграду? Одни модели давали положительный ответ на вопрос Лукреция, так как в них Вселенная считалась ограниченной своего рода стеной или непроницаемой поверхностью. Эта странная идея просуществовала до времен Кеплера, т. е. до XVI в.

Представлению о четкой границе Аристотель предпочел картину плавного, постепенного перехода физического мира в мир духов и эфирных субстанций. И в паши дни эта идея находит отклик у некоторых людей, убежденных в существовании за видимым небосводом “царствия небесного”, и многие наши суеверия и религиозная символика основаны на аналогичных представлениях. Слово “небесный” до сих пор имеет смысл не только астрономический, но и возвышенно духовный. Еще одно космологическое предание связано с “пустотой”. В cooтветствующей модели материальная Вселенная считалась конечной, но ее внешние границы отнюдь не означали предела “всего сущего”. За границами Вселенной до бесконечности простиралось пустое пространство. Но какова бы ни была природа “края света”, неизменно считалось, что Земля находится в центре мира.

Эти идеи потерпели крах в средние века, когда Николай Коперник провозгласил, что в центре мироздания находится Солнце, а не Земля и что планеты обращаются вокруг этого центра. В модели Коперника Вселенная все еще имела конечные размеры и внешнюю границу — сферу неподвижных звезд. Вскоре Томас Диггс предложил отказаться от внешней границы Коперника, противопоставив ей модель, где звезды были рассеяны по безграничному пространству. Идею бесконечной Вселенной тысячелетием ранее проповедовали Лукреций и представители так называемой школы атомистов, но мистические и религиозные аспекты бесконечного нередко выступали на первый план, затуманивая суть вопроса. Так, Джордано Бруно был сожжен по приказу церкви за проповедь идеи бесконечной множественности миров.

Развитие научной астрономии, в особенности создание больших телескопов и изобретение-спектроскопа, резко изменило представление человечества о мироздании. Наблюдения показали, что Млечный Путь представляет собой “островную Вселенную”, состоящую из разрозненных частей. Даже в начале прошлого века продолжались споры о том, является ли Млечный Путь галактикой, находящейся в бесконечной пустоте, или за пределами нашей Галактики существуют другие “островные миры”. Некоторые астрономы полагали, что, отправившись достаточно далеко в космическое пространство, можно взглянуть оттуда на все сущее и увидеть все звезды мира, сконцентрированные в одной области, и безграничную пустоту за ее пределами.

Истинную природу Вселенной не удавалось выяснить вплоть до 20-х годов нашего столетия, пока не появились работы американских астрономов Харлоу Шепли и Эдвина Хаббла. Они раз и навсегда установили, что так называемые туманности, давно знакомые астрономам расплывчатые светлые пятна, в действительности представляют собой другие галактики, расположенные далеко от нашей. Нет никаких данных, свидетельствующих об уменьшении плотности галактик и о наличии у них границы или предела. Космологи полагают, что галактики не имеют внешней границы и что они существуют повсюду в пространстве. Тем не менее многие люди (включая и некоторых ученых) склонны считать, что Вселенная представляет собой скопление галактик, окруженное безграничной пустотой. В популярных статьях нередко говорится о “крае Вселенной”, т. е. некой внешней ее границе, за которой простирается пустота. Однако строго научная точка зрения заключается в том, что Вселенная не имеет ни края, ни центра. Вселенную нельзя считать скоплением галактик, распределенных в пространстве, — скорее Вселенная сама содержит пространство.

Если у Вселенной нет внешней границы, то вопрос о нашем местоположении в значительной степени теряет смысл. Само пространство не содержит никаких вех, и инфраструктура Вселенной даже в самых удаленных ее уголках мало чем отличается от нашего ближайшего галактического окружения. В малых масштабах вопрос “Где находимся мы?” не лишен смысла, поскольку мы в состоянии измерить свое положение относительно какого-нибудь заметного ближнего объекта, например Солнца или центра Галактики. Но в пределах Вселенной как целого не существует выделенного места, относительно которого можно было бы отсчитывать положение объектов. Мы как бы находимся на бесконечно протяженной шахматной доске: имеет смысл утверждать, на каком расстоянии мы находимся от ближайшего угла нашего квадрата, но говорить что-либо о нашем положении на доске в целом бессмысленно.

Наше место во времени

Другая традиционная точка зрения основана на идее о сотворенном мире, который имеет конечный возраст и непрестанно претерпевает необратимые изменения. И если в “момент творения” мир, возможно, был совершенен, то он не остается таковым, хотя вполне мог бы начать эволюционировать (или стремиться) в сторону совершенства.

Расширение Вселенной порождает определенные трудности при попытке наглядно представить себе этот процесс, что еще более запутывает поиск ответа на вопрос “Где?” Трудно удержаться от искушения мысленно рассматривать процесс расширения как взрыв сгустка материн, осколки которого разлетаются в беспредельном изначально существовавшем вакууме. Если исходить из такого ошибочного представления, то размеры Вселенной должны непрерывно увеличиваться по мере того, как внешние осколки все далее улетают в пустоту. Но, как мы уже знаем, подобная картина Вселенной неудовлетворительна, поскольку предполагает существование “края света”. В более последовательной и корректной модели расширяется пространство между галактиками. В качестве аналогии удобно рассмотреть медленно раздувающийся воздушный шар. Представим себе, что поверхность шара покрыта точками, изображающими галактики. Когда шар раздувается, его резиновая оболочка растягивается, и точки на ее поверхности все дальше отходят друг от друга (рис. 1). Заметим, что сами точки на поверхности не движутся в направлении к чему-нибудь или от чего-нибудь. Раздвижение точек происходит вследствие расширения самой поверхности.

Расширяющаяся Вселенная весьма напоминает трехмерный аналог раздувающегося воздушного шара, и неправильно представлять себе галактики мчащимися через пространство в разные стороны от общего центра расширения. В действительности пространство между галактиками, разрастаясь (вытягиваясь), раздвигает галактики относительно друг друга. Способность пространства вытягиваться следует из общей теории относительности Эйнштейна, которую мы постараемся объяснить в последующих главах. Тот факт, что мы видим, как далекие галактики разбегаются от нас, вовсе не означает, что мы находимся в центре расширяющейся Вселенной; с тем же успехом любую точку на поверхности раздувающегося воздушного шара можно принять за ее центр. (У самой поверхности шара нет центра.) Следовательно, Вселенная не расширяется куда-то, а просто вся увеличивается в размере.

Но если Вселенная раздувается, то в прошлом она должна была находиться в сжатом состоянии, и, экстраполируя назад во времени, мы приходим к заключению, что около 15 млрд. лет назад космическая материя должна была иметь необычайно высокую плотность. В этом суть теории Большого взрыва, согласно которой ныне наблюдаемая Вселенная возникла в результате гигантского взрыва.

Процесс Большого взрыва часто неверно трактуется наподобие взрыва глыбы вещества в уже существовавшем вакууме. Но, как известно, пространства вне Вселенной не существует. Большой взрыв следует рассматривать как событие, в результате которого возникло и само пространство. Таким образом, научная картина “сотворения мира” оказывается глубже библейской, ибо она отражает рождение не только материи, но и пространства. Последнее возникает не каким-то иным путем, а непосредственно в результате Большого взрыва. Следовательно, Большой взрыв не есть событие, которое произошло во Вселенной; это было само рождение Вселенной, целиком и буквально из ничего.

Другая важная особенность Большого взрыва связана с временем. Многие космологи считают, что время до Большого взрыва не существовало, т. е. не было никакого “прежде”. Один из уроков новой физики состоит в том, что пространство и время существуют не сами по себе, а составляют неотъемлемую часть физического мира. Следовательно, если Большой взрыв ознаменовал рождение физического мира, то пространство и время возникли только в момент Большого взрыва. Идея отождествления момента рождения Вселенной с началом времени далеко не нова. Еще в IV в. Святой Августин писал: “Мир сотворен с временем, но не во времени”.

Внезапное возникновение Вселенной в результате Большого взрыва означает, что вопрос “Где мы находимся—во времени"? имеет смысл. Исчисления всех космических эпох можно вести от этого уникального всеопределяющего события, которое произошло около 15 млрд. лет назад. Историю Вселенной можно разделить на зоны, ведя отсчет от этого абсолютного нуля времени.

Из чего мы состоим?

На этот вопрос ответить просто: из материи. Но что такое материя и как она возникла? Диапазон форм, красок, плотностей и текстуры материальных тел столь широк, что попытка понять природу материи может показаться безнадежной задачей. Однако еще две с половиной тысячи лет назад греческие философы заложили основы нашего понимания природы материи, когда попытались свести разнообразие окружающего мира к взаимодействию небольшого числа первичных составных частей — элементов. В VI в. до н. э. Фалес считал первоосновой всех вещей один первичный элемент"— воду, но позднее мыслители ввели в рассмотрение четыре земных элемента: землю, воздух, огонь и воду. По мысли древних, эти элементы в целом сохраняются — их общее количество остается неизменным, — но могут образовывать друг с другом различные комбинации, необычайно разнообразные по форме и составу. Небесным телам отводилась пятая субстанция, называемая эфиром, или квинтэссенцией. Греческие философы

сделали важный шаг, отвергнув ссылки на потусторонние силы и наблюдение — основу научного метода. Анаксагор (500—428 гг. до н. э.) существенно усовершенствовал более ранние теории, введя представление о бесконечной Вселенной, заполненной бесконечным множеством частиц, или “атомов”. Кроме того, Анак-сагор высказал предположение, что небесные тела состоят из таких же веществ, что и Земля, — эта “ересь” едва не стоила ему жизни. Левкипп внес свою лепту в развитие атомной теории материи, это дело продолжил его ученик Демокрит. Впоследствии атомистическая теория была отвергнута такими великими философами, как Аристотель, Платон и Сократ. Однако позднее идеи атомистов были подхвачены Эпикуром,) (341—270 гг. до н. э.).

Главная особенность учения атомизма заключалась в следующем: мир состоит всего лишь из двух вещей — неуничтожимых атомов и пустоты. Атомы имеют различную форму и могут соединяться между собой, образуя сложные системы. Атомы неделимы и свободно движутся в пустоте. Они непрестанно находятся в состоянии активности, сталкиваясь и объединяясь в новые конфигурации и неизменно подчиняясь рациональным законам причины и следствия.

На протяжении столетий атомная теория материи имела чисто умозрительный характер, ибо атомы слишком малы, чтобы их наблюдать непосредственно. Альтернативные представления о континууме, согласно которым материя бесконечно делима и не содержит пустоты, существовали вплоть до XIX в. С развитием химии как науки атомистическая теория подверглась пересмотру в рамках современного научного мышления. Английский химик Джон Дальтон (1766—1844) привел свидетельства в пользу того, что атомы имеют различные веса и, комбинируясь в определенных пропорциях, образуют соединения; однако прямые физические доказательства существования атомов по-прежнему отсутствовали. Лишь в конце XIX в. с открытием электрона и радиоактивности существование атомов стало, наконец, общепризнанным. Вскоре

В 1909 г. Эрнест Резерфорд выяснил основные особенности строения атома. Бомбардируя атомы альфа-частицами, испускаемыми радиоактивным источником, Резерфорд установил по характеру рассеяния альфа-частиц, что атомы представляют собой не твердые кусочки неделимой материи, как полагали некоторые физики, а сложные структуры, основная масса которых сосредоточена в центральном ядре, окруженном облаком более легких подвижных электронов (рис. 2). Такая структура напоминает планетную систему. Электроны удерживаются на орбитах силой притяжения (положительно) заряженного ядра.

Строение ядра оставалось неясным до начала 30-х годов. Ядро, как оказалось, также является сложной системой, состоящей из (положительно заряженных) протонов и электрически нейтральных частиц — нейтронов. Согласно современной точке зрения, протоны и нейтроны в свою очередь состоят из еще более мелких частиц — кварков. Многие физики полагают, что электроны и кварки являются подлинно элементарными частицами, — в том смысле, как это понимали древние греки. Они, по-видимому, не обладают внутренней структурой, и из них построены все известные формы обычной материи.

Очевидно, что материя имеет иерархическую структуру. Из кварков состоят протоны и нейтроны, которые в свою очередь формируют ядра атомов. Атомы комбинируются в молекулы или кристаллы. Из этих основных “материалов” состоят твердые тела, окружающие нас. Двигаясь вверх по шкале масштабов, мы придем к планетным системам, звездным скоплениям и, наконец, к галактикам, но даже галактики объединяются в скопления и сверхгалактики. Люди находятся где-то в середине этой иерархии:

наши размеры соотносятся с размерами атомов примерно гак же, как размеры звезд с нашими собственными.

Подобная распространенность элементов весьма примечательна. Тяжелые ядра содержат большое количество протонов, и нейтронов, легкие — мало. Если бы легкие ядра могли вступать друг с другом в реакцию ядерного синтеза, то это привело бы к образованию более тяжелых ядер. Напрашивается мысль, что во Вселенной первоначально присутствовал только один простей-ший элемент—водород.,) а более тяжелые элементы постепенно

образовались на последующих стадиях ядерного синтеза. Подобная теория сразу объясняет, почему тяжелые ядра столь редки. Реакции ядерного синтеза могут протекать только при температурах, при которых преодолимо отталкивание электрически заряженных ядер. Чем больше протонов в ядре, тем сильнее отталкивание между ядрами и тем с большим трудом ядро принимает дополнительные протоны в реакции ядерного синтеза.

Понимание процесса образования химических элементов лишь отчасти объясняет “тайну” образования материи. Остается не ясным, как же образовались протоны, нейтроны и электроны, из которых состоят атомы химических элементов.

Ученым давно известно, что вещество не вечно — оно возникает и исчезает. При концентрации достаточного количества энергии происходит рождение новых частиц вещества. Мы можем рассматривать вещество как “запертую” энергию. Возможность превращения энергии в вещество наводит на мысль, что во Вселенной первоначально не было вещества и все вещество, которое мы наблюдаем сейчас, возникло из энергии Большого взрыва. Эта привлекательная теория сталкивается, однако, с серьезным затруднением. Рождение частиц вещества в лаборатории (на ускорителях) стало обыденным явлением, но образование каждой новой частицы сопровождается образованием ее “антипода” — анти-частицы. Например, электрон (имеющий отрицательный электрический заряд) всегда рождается в паре с антиэлектроном, который называют позитроном. Последний имеет такую же массу, как электрон, но противоположный (положительный) электрический заряд. Аналогично рождение каждого протона сопровождается рождением антипротона. В целом античастицы принято называть антивеществом.

При столкновении частицы с античастицей происходит их аннигиляция, при этом высвобождается заключенная в них энергия. Ясно, что смесь вещества и антивещества крайне неустойчива. Поэтому маловероятно, чтобы какая-нибудь, если только не самая крохотная, область Вселенной целиком состояла из антивещества. Тогда встает вопрос: каким образом возникло вещество без эквивалентного количества антивещества? Как мы узнаем в дальнейшем, последние открытия дают ключ к решению этой проблемы.

Рождение вещества из энергии не ограничивается такими общеизвестными частицами, как электрон, протон и нейтрон. Возможно образование и других, более экзотических, форм материи. На ускорителях при столкновении частиц высоких энергий рождаются сотни различных субатомных частиц. Все они нестабильны и быстро распадаются, превращаясь в более привычные виды частицы. Образующиеся при таких столкновениях частицы настолько короткоживущи, что не играют непосредственной роли во Вселенной.

Почему мы не разваливаемся на части?

Если бы не взаимодействия, то частицы материи двигались бы независимо, "не подозревая" о существованй других частиц. Благодаря взаимодействиям частицы как бы обретают способность распознавать другие частицы и реагировать на них, в результате чего рождается коллективное поведение.

Когда инженер рассуждает о силах, он обычно имеет в виду способность толкать или тянуть, представляя при этом веревку или проволоку. Силы такого рода мы вполне можем представить наглядно и, опираясь на собственный опыт, понять, как под их воздействием могут перемещаться предметы. Но существуют и другие, менее привычные проявления сил, например, радиоактивный распад атомного ядра или взрыв звезды. Поскольку вся материя состоит из частиц, для объяснения природы сил, или взаимодействий, необходимо в конечном счете обратиться к физике элементарных частиц. Сделав это, физики обнаружили, что все взаимодействия независимо от того, как они проявляются в больших масштабах, можно свести к четырем фундаментальным

типам: гравитационному, электромагнитному и дум типам ядерных. В последующих главах мы узнаем, каким образом происходят эти взаимодействия между частицами. Мы увидим, что взаимодействия и частицы тесно связаны между собой, и понять природу одних без должного понимания природы других просто невозможно.

С увеличением масштаба относительное значение каждого из четырех взаимодействий меняется. На уровне кварков и атомных ядер доминируют два ядерных взаимодействия. Сильное ядерное взаимодействие связывает кварки в протоны и нейтроны и не позволяет атомным ядрам “разваливаться”. На уровне атомов преобладает электромагнитное взаимодействие, связывающее электроны с ядрами и обеспечивающее объединение атомов в молекулы. Большая часть сил, с которыми мы имеем дело в нашей повседневной жизни (натяжение проволоки, толчок, испытываемый одним телом со стороны другого и т. д.) — это примеры макроскопического проявления электромагнитного взаимодействия. В астрономических масштабах господствующим становится гравитационное взаимодействие. Таким образом, каждое взаимодействие вступает в свои права, начиная с определенного масштаба, и играет важную роль в формировании характерных особенностей физического мира.

В последние годы физики заинтересовались соотношением между четырьмя фундаментальными взаимодействиями, которые в совокупности управляют Вселенной. Существует ли между ними какая-нибудь связь? Не являются ли эти четыре фундаментальных взаимодействия всего лишь различными ипостасями единственной основополагающей суперсилы? Если такая суперсила существует, то именно она представляет собой действующее начало всякой активности во Вселенной — от рождения субатомных частиц до коллапса звезд. Разгадка тайны суперсилы невообразимо увеличила бы нашу власть над природой и даже позволила бы объяснить само “сотворение” мира.

“Наука— это просто-напросто хорошо натренированный и организованный здравый смысл”,—так писал выдающийся биолог XIX в. Т. Г. Гексли (Хаксли). Во времена Гексли это, возможно, было верно. Хотя наука XIX в. включала в себя множество различных дисциплин, все ее понятия прочно опирались на здравый смысл, которым мы руководствуемся в повседневной жизни.

Потом возникла новая физика. Начало XX в. ознаменовалось бурным рождением новых идей, до основания разрушивших при-вычные, сложившиеся веками представления об окружающем мире. Многие заботливо взлелеянные и казавшиеся незыблемыми представления были просто-напросто сметены. Выяснилось, что в окружающем мире все зыбко и неопределенно, а здравый смысл— ненадежный проводник. Физики были вынуждены пересмотреть свои взгляды на реальность, наделив ее чертами, не известными человеческому опыту. Чтобы разобраться в потоке новых открытий,

пришлось ввести абстрактные, лишенные всякой наглядности понятия, допускающие чисто математическое описание.

Это было время революционных перемен в науке — не одной, а двух, последовавших одна за другой. Сначала появилась квантовая теория, открывшая новый подход к пониманию странного поведения микромира; затем настал черед теории относительности, сплавившей воедино пространство и время. Старое представление о рациональном и механистическом мире, которым управляют причинно-следственные связи, кануло в Лету, уступив место таинственному миру парадоксов и “потусторонней” реальности.

Первой жертвой двух научных революций-близнецов стала интуиция. Физик XIX в. мог мысленно составить достоверный образ предмета своего исследования, тогда как квантовая и релятивистская. физики потребовали беспримерной работы'ума. Наглядно представить себе некоторые явления оказалось трудно ' даже физикам-профессионалам. Создатель квантовой теории Макс Планк так и не принял всей ее причудливости, а Эйнштейн считал эту теорию столь абсурдной, что до конца дней своих упорно отрицал ее идеи.

Новая физика продолжает обнаруживать неожиданные особенности в поведении природы, и каждое новое поколение студентов-физиков находит эти идеи странными и даже лишенными смысла. В одном известном английском университете у входа в здание физического факультета вывешивали плакат: “Будьте осторожны: физика может свести с ума!”

Взять хотя бы мир субатомных частиц, где интуиция совершенно отказывается служить, и кажется, что природа разыгрывает с нами злые шутки. Один из ее фокусов —-“барьерный эффект”. Представьте себе, что вы бросили камешком в окно.. Если камешек брошен слабое то он отскочит от стекла, не повредив его. Но при сильном броске камешек разобьет стекло и влетит в комнату. Нечто подобное можно проделать и в мире атомов;

Многое странное в поведении электронов связано с тем, что в некоторых отношениях они ведут себя подобно волнам. Волнообразное поведение электронов можно продемонстрировать с помощью ряда четко поставленных экспериментов. Наше воображение бессильно представить нечто такое, что может быть одновременно и волной, и частицей, но само по себе существование дуализма волна-частица (так называемого корпускулярно-вол-нового дуализма) не вызывает сомнения. Может случиться и так, что объект, который мы обычно считаем волной, обретает в микромире свойство частицы. Например, световые волны ведут себя подобно потоку частиц, выбивая электроны с поверхности металла (фотоэлектрический эффект). Частицы света называются фотонами, и физики относят их наряду с электронами и кварками к фундаментальным частицам. Наглядно представить себе волну-частицу невозможно, не стоит и пытаться. В нашей повседневной жизни нет ничего такого, что хотя бы отдаленно напоминало подобную нелепость. Доведись нам столкнуться с волной-частицей, мы никогда не поняли бы этого.

Много трудностей в понимании современной физики обусловлено тем, что люди тщетно пытаются подогнать используемые там абстрактные понятия под привычную схему представлений, основанных на здравом смысле. У нас существует, видимо, глубокая психологическая потребность сводить все явления окружающего мира к простым, понятным образам. И когда приходится сталкиваться с чем-то, не имеющим аналога в повседневном опыте, например с волной-частицей, рождается недоумение

Не только электроны подчиняются капризам квантовой механики. Подобные свойства присущи всем микрочастицам, включая кварки. Описанные выше эффекты наблюдаются при относительно низких энергиях. Еще более необычны явления, происходящие при высоких энергиях, например внезапное рождение новой частицы или распад нестабильной частицы с превращением ее в ливень других частиц. Среди частиц есть даже соединяющие в себе черты двух совершенно различных частиц — своего рода “сумасшедшее” единство.

К числу самых необычных частиц относятся нейтрино. Это частицы-призраки, по-видимому, не имеющие массы и движущиеся со скоростью света. Они не имеют электрического заряда и почти “не замечают” твердого вещества. Нейтрино столь “бестелесны”, что легко пронизывают толщу Земли и способны пройти слой свинца толщиной в несколько световых лет! Мириады нейтрино пронизывают вас, пока вы читаете эти строки. Нейтрино, как ничто другое, близки к тому, что можно назвать “абсолютно ничем”, за одним исключением: они обладают таким важным свойством, как спин. Иногда для наглядности это свойство нейтрино буквально сопоставляют вращению вокруг собственной оси, уподобляя его суточному вращению Земли, но в действительности эта аналогия неверна. Как мы увидим далее, спин нейтрино отличается явно необычными особенностями.

Астрофизика — еще одна область, где терпят крах земные понятия, столь привычные нашему здравому смыслу. Хороший тому пример — гравитационные волны. Эти неуловимые возмущения представляют собой своего рода “рябь” самого пространства —распространяшющееся искривление пространства. Такие -волны генерируются в результате участия материальных тел или анергии в интенсивном движении. Хотя гравитационные волны переносят энергию и импульс, они не связаны с переносом вещества как такового—это просто колебания пустоты. Гравита-ционные волны обладают чрезвычайно высокой проникающей

способностью, превосходя в этом отношении даже эфемерные нейтрино. В сущности не существует материи, способной поглощать гравитационные волны, и поэтому их очень трудно обнаружить: они просто-напросто “игнорируют” детектор.

В схватке с подобными странными понятиями воображение исчерпывает себя до предела. Систематическое продвижение вперед было бы невозможно, если бы не математика. Абстрактные формулы не требуют воображения и позволяют точно описывать самые необычные явления, если используемые уравнения логически непротиворечивы. Проникновение в физику высшей математики означает, что большинство теоретических работ завершается лабиринтом непостижимых символов. Таинства математики и несколько мистический оттенок новой физики создают вокруг нее как бы ореол религиозности, а сами физики воспринимаются как верховные жрецы. Это в значительной степени объясняет популярность новой физики среди людей, склонных к философии и даже мистике. Тем не менее не следует забывать, что физика имеет практическое применение, и хотя некоторые ее понятия вполне созвучны “Алисе в Стране Чудес” Л. Кэрролла, развитие современной технологии во многом зависит от нашего понимания этих абстрактных идей.

Искривление пространства

Среди вереницы странных образов, рожденных новой физикой, наибольший интерес вызывают те, которые относятся к квантовой теории и теории относительности. В своей наиболее разработанной форме, называемой квантовой механикой, квантовая теория по существу занимается изучением всех процессов, происходящих в микромире. На квантовой механике основано наше понимание всех явлений молекулярной, атомной, ядерной и субъядерной физики. Теория относительности изучает свойства пространства, времени и движения. Ее выводы становятся существенными, когда рассматриваемая система движется со скоростью, близкой к скорости света, или в сильном гравитационном поле.

жется относительно другого, то при измерении длины одного и того же объекта они получают разные значения. И это несмотря на то что в состоянии покоя оба наблюдателя при измерении длины данного объекта получат в точности один и тот же результат.

Если теория относительности лишает смысла понятие расстояния, то квантовая механика еще решительнее подрывает устои”, ставя под сомнение основанное на здравом смысле понятие местоположения. Считается непреложной истиной, что все материальные тела должны где-то находиться. Каждая субатомная частица, например, входящая в состав нашего тела, непременно должна иметь определенное местоположение. Может ли вообще существовать частица, не находясь где-то?

Все это говорит о том, насколько нелепа попытка представить себе мир атома как пространство, “населенное” вращающимися шариками. Если частица не может одновременно обладать определенными положением и импульсом, то мы не в состоянии разумным образом приписать ей траекторию в пространстве. Нам может быть известно, что в какой-то момент времени электрон находится в точке А, а в более поздний момент — в точке В, но мы не можем знать, как он попал из А в В. Представление о траектории (или орбите), непрерывно соединяющей исходной и конечный пункты, утрачивается. И в самом деле, мы уже упоминали, что в некоторых технических устройствах электроны проявляют способность “туннелировать” через барьер, исчезая с одной его стороны и внезапно вновь возникая по другую сторону. Это — типично квантовый эффект.

Единственный способ придать смысл столь странному поведению электрона заключается в предположении, что частица попадает из А в В одновременно по всем возможным путям! Это необычное свойство можно легко продемонстрировать, приспособив надлежащим образом эксперимент, впервые поставленный в XIX в. английским физиком Томасом Юнгом. Желая доказать справедливость волновой теории света. Юнг воспользовался явлением интерференции. Интерференция происходит при наложении двух волн. Если гребни одной волны совпадают в гребнями другой волны, то происходит усиление, и волновое движение стано-вится более интенсивным. Если же гребни одной волны приходятся на впадины другой, то волны гасят друг друга, и волновое движение ослабевает.

В эксперименте Юнга (рис. 3) свет от небольшого источника падает на две близко расположенные щели в непрозрачном экране. Изображения щелей проецируются на второй экран. Достигая второго экрана, световые волны от каждой щели интерферируют. Результат интерференции зависит от того, как приходят к экрану волны — “в ногу” или “не в ногу”. Это в свою очередь зависит от того, под каким углом волны падают на экран, и поэтому результат меняется ог точки к точке. В итоге мы наблюдаем серию светлых и темных полос, образующихся вследствие того, что световые волны поочередно то усиливают, то гасят друг друга.

Если принять во внимание квантовую природу света, то обнаруживаются удивительные детали. Квант света — фотон — ведет себя, как частица, в том смысле, что попадает на экран в определенном месте. (Если, желая зафиксировать интерференционную картину, заменить экран фотопластинкой, то каждый фотон вызовет химические изменения в единственном зерне фотоэмульсии в четко определенном месте.) С другой стороны, интерференционная картина явно зависит от наличия двух щелей, порождающих две волны, которые налагаются друг на друга. Если одну щель закрыть, то интерференционная картина исчезает. Наблюдаемое явление нельзя объяснить ссылкой на то, что часть фотонов проходит через одну щель, а часть — через другую, так Как интерференционная картина возникает в виде отдельных пятнышек, даже если на экран падают раздельно фотон за фотоном. Единственное возможное объяснение заключается в том, что каждый фотон каким-то образом проходит через обе щели и достигает экрана, неся на себе отпечаток их существования. Этим “отпечатком” является наибольшая вероятность попадания фотонов в область светлых полос, т. е. в сторону от области темных полос. В этом проявляется сосуществование двух аспектов природы света — волнового и корпускулярного. Хотя первоначально эксперимент был поставлен со светом, аналогичные соображения остаются в силе, если использовать электроны или любые другие квантовые “волны-частицы”.

Невозможно представить частицу, которая находится “одновременно повсюду”. Можно, по-видимому, вообразить бесчисленные частицы-“призраки”, движущиеся по всем возможным путям к точке наблюдения, где они сливаются в “реальную” частицу, но даже подобный образ оказывается неадекватным. Только математика в состоянии свести воедино все эти тонкости.

Вследствие нашей неспособности “прикрепить” частицу к определенному месту в случае нескольких частиц возникают необычные эффекты. Если имеется набор тождественных частиц и мы не можем сказать в каждом отдельном случае, где находится частица, здесь или там, то как можно узнать, где из них какая? Действительно, этого нельзя сделать. Индивидуальность частицы полностью стирается.

Все это делает понятие расстояния весьма расплывчатым. Но это еще не все. При более тщательном рассмотрении выясняется, что не только размыто положение частицы в пространстве, но и самому пространству присуща размытость. Плохо, когда неизвестно, где находится частица, но если- нельзя сказать, где расположены точки пространства, то все представления геометрии рушатся.

Эйнштейн указал ряд примеров, когда искривление просчранства и времени можно наблюдать.

Один из них — воздействие гравитационного поля Солнца на пространство в его ближайшей окрестности. Во время полного солнечного затмения, когда сияющий диск Солнца заслонен Луной, можно наблюдать небольшие отклонения в положениях звезд, расположенных на небе вблизи Солнца, по сравнению с их координатами, зафиксированными в астрономических атласах (рис. 4). Световые лучи, идущие от звезд, заметно отличаются от прямолинейных, что обусловлено искривлением пространства Солнцем.

Эта и другие проверки теории относительности, основанные на гораздо более сильных гравитационных полях нейтронных звезд, убедили физиков в том, что гравитация действительно искривляет пространство. Одно из следствий этого состоит в том, что пространство (строго говоря, пространство-время) следует считать как бы упругим, способным изменять свою геометрическую форму. Иначе говоря, мы можем наблюдать динамику пространства. Например, когда звезда коллапсирует, образуя черную дыру, первоначально слабая деформация пространства в ее окрестности стремительно нарастает, создавая чудовищно деформированное пространство — ловушку, из которой ничто не может выйти наружу. Другим примером может служить расширяющаяся Вселенная (см. гл. I): в ней пространство между галактиками непрерывно растягивается.

Такая призрачная динамика пространства предполагает, что в очень малых масштабах само понятие “местоположение” утрачивает смысл. Упорядоченное расположение точек, гладкая непрерывность пространства классической геометрии исчезает в пенообразном пространстве-времени. Вместо него мы имеем беспорядочное нагромождение полуреальных пространств-призраков. И в таком беспорядочно изменяющемся океане здравый смысл полностью теряет свою силу.

Спин

Поскольку в квантовом мире положение в пространстве не может? быть точно определено, неудивительно, что подобная участь постигает и углы. В повседневной жизни нам кажется само собой разумеющимся, что объекты имеют определенную ориентацию:

ваза на столе стоит вертикально, стрелка компаса указывает на север, луч прожектора обшаривает небо. Понятие направления занимает центральное место в выработанной нами мысленной модели мира. Без него представление о внешнем мире утратило бы смысл.

Но в квантовом мире, в масштабе атомов и их составных частей, недопустимо наивное толкование понятий направления и ориентации. Нельзя утверждать, что электрон, обращающийся вокруг атомного ядра, в такой-то момент времени находится в данном направлении от ядра, так как положение электрона размыто. Пучок фотонов или других частиц нельзя использовать для

Тем не менее на первый взгляд кажется, что одна многообещающая возможность однозначного определения направления все же существует. Мы уже упоминали, что нейтрино обладают своеобразным собственным вращением, или “спином”. Более того, это свойство присуще почти всем субатомным частицам; особенно отчетливо оно выражено у электронов и кварков. Привлекательно изобразить частицу со спином, например электрон, в виде крохотного шарика, вращающегося вокруг собственной оси, подобно

Предположим, что экспериментатор включает прибор и сначала выбирает направление, чтобы измерить относительно него ориентацию спина частицы. На практике в качестве такого направления обычно принимают направление магнитного или электрического поля. Экспериментатор хочет определить угол между спином частицы и направлением поля. Проведя измерение, он

с удивлением обнаруживает, что спин ориентирован строго по направлению поля. Эксперимент повторяется многократно, но результат всегда один и тот же: спин всегда ориентирован вдоль выбранного направления. Подозревая неладное, экспериментатор принимается менять направление внешнего поля. но спин Частица неизменно следует за его направлением. И как ни пытается экспериментатор обнаружить спин, направленный под углом к исходному направлению, у него ничего не получается. Экспериментатор в замешательстве: частица как бы читает его мысли, поскольку всегда указывает направление, которое он произвольно выбирает для отсчета.

Отчаявшись, экспериментатор прибегает к дьявольской хитрости задает два различных исходных направления, А и В, и измеряет угол между направлением спина и каждым из них. Поскольку спин частицы, по мнению экспериментатора, не может

Поразительные эффекты, подобные описанному, стали неотъемлемой частью современной физики, и экспериментаторы давно привыкли к тому, что спин частицы всегда направлен вдоль оси, выбранной за исходную. Это свойство сводит на нет любую попытку придать смысл понятию направления в квантовом мире. Оно также привносит в физический мир элемент странной субъективности. Если спину частицы предопределено следовать за случайно выбранным направлением отсчета, то создается впечатление, что экспериментатор как бы вторгается в микромир. Рабская покорность, с которой все частицы со спином следуют заданному экспериментатором направлению, казалось бы, наводит на мысль, что материальным миром управляет какой-то высший разум. В гл. 3 мы увидим, что подобные субъективные элементы квантовой физики требуют полного пересмотра традиционных представлений о физической реальности и роли сознания в физическом мире.

Физика частиц со спином таит немало других сюрпризов. Один из них связан с простым, на первый взгляд даже тривиальным, понятием вращения. В повседневной жизни нам всем приходилось сталкиваться о процессом вращения. Представьте себе, что вы стоите в комнате, скажем, лицом к двери. Поворачиваясь вокруг своей вертикальной оси, вы увидете перед собой все новые и новые участки стен и, повернувшись на 180°, окажетесь спиной к двери. Повернувшись еще на 180°, вы окажетесь в исходной позиции—лицом к двери,—совершив полный оборот. Мир будет выглядеть в точности таким, каким был до начала вращения. Казалось бы, что может быть проще и очевиднее?

описать два полных оборота.

Только после этого не обнаружится сколько-нибудь заметного различия между “повернувшимся” и “неповернувшимся” электронами.

людей и в случае крупных объектов это свойство утрачено — мы не отличаем один оборот на 360° от следующего. Следовательно, мы в некотором смысле лишь наполовину воспринимаем мир, доступный электрону.

Рис. 5 дает простую иллюстрацию сказанного, на нем изображена двойная проволочная петля с нанизанной на нее бусинкой. Издали мы не можем различить два витка, и нам кажется, что проволока просто согнута в окружность. Если бусинка, скользя по проволоке, опишет угол 360°, то мы ожидаем, что она вернется в исходную точку, но приглядевшись внимательнее, обнаруживаем, что это не так. Бусинка должна совершить еще один оборот на 360°, чтобы, обойдя всю петлю, вернуться к началу своего пути.

Это странное “двойственное” представление о мире, присущее электронам и другим микрочастицам, принято считать фундаментальным свойством природы. Оно приводит к многим неожиданным, доступным наблюдению следствиям. Например, соз- даваемое спином электрона магнитное поле вдвое превышает магнитное поле, которое создавал бы вращающийся заряженный шарик. В дальнейшем мы увидим, что необычная геометрическая природа спина может оказаться ключом к единой теории.

Замедление времени

Новая физика разрушила не только геометрическую интуицию, но столь же безжалостно расправилась с привычным представлением о времени. Здравый смысл приучил нас мыслить в понятиях Времени, рассматриваемого как нечто универсальное и абсолютное, относительно чего мы отмериваем все события. Мы не делаем различия между своим и чужим временем — существует лишь единое время. Теория относительности отвергает столь упрощенный подход. Время, подобно пространству, также способно растягиваться или сжиматься в зависимости от движения наблюдателя. Два события могут считаться, с точки зрения одного наблюдателя, разделенными промежутком времени в один час, с точки зрения другого — одной минутой.

Это не просто психологический эффект. Время действительно можно затянуть, или замедлить, даже в лаборатории, и зарегистрировать этот эффект можно с помощью точных часов. Чтобы заметить замедление времени, часы должны двигаться со скоростью, близкой к скорости света. Свет распространяется в пространстве со скоростью около 300 тыс. км/с, что намного превосходит скорость самого быстродвижущегося современного космического аппарата. Тем не менее точность хода современных атомных часов позволяет различить малейшее замедление времени даже на борту реактивного авиалайнера.

Замедление времени в движущейся системе отсчета особенно раздражает непосвященных, видимо, задевая их глубже, чем другие странности современной физики. Примерно половина статей, поступающих в физические журналы от таких адресатов, касается проблемы времени и относительности, и авторы упорно ищут изъяны в рассуждениях Эйнштейна или противоречия в теории относительности. Они не приемлют мысль о том, что время, “упруго” и его ход может меняться в зависимости от наблюдателя. С особыми ухищрениями они пытаются опровергнуть знаменитый “парадокс близнецов”. Он состоит в следующем: если один из двух близнецов отправляется на ракете в космическое путешествие, то по возвращении он обнаруживает, что его брат оказался старше его, скажем, на десять лет. Явление, которое физики склонны рассматривать как курьез, вызывает у дилетантов абсолютное неприятие. Отчасти это объясняется тем, что у каждого вырабатывается собственное представление о времени и люди воспринимают манипуляции со временем как посягательство на нечто глубоко личное. Но нравится это или нет, замедление времени вполне реально.

Одно из самых сильных замедлений времени, которое удалось создать человеку, происходит на установке в Дарсбери (графство Чешир, Великобритания). Называется эта установка электронный сихротонн предназначена для ускорения пучка электронов, который проходит по кольцу диаметром 30 м три миллиона раз в секунду. Большие магниты отклоняют электроны от естественного движения по прямой, и каждый оборот по кольцу сопровождается испусканием электромагнитного излучения, называемого синхротронным. Электроны движутся со скоростью лишь на одну десятитысячную процента меньше скорости света; при этом масштаб времени растягивается по сравнению с нашим примерно в десять тысяч раз. Именно это расхождение масштабов времени используют инженеры, для этого главным образом и был построен ускоритель. Хотя частота испускаемого излучения в собственной системе отсчета электронов составляет всего лишь несколько килогерц (т. е. лежит в диапазоне радиочастот), в лабораторной системе отсчета вследствие замедления времени частота увеличивается в тысячи раз. Поэтому испускаемое электронами излучение мы воспринимаем как ультрофиолетовое или рентгеновское. Таким бразом, с помощью синхротрона эффект замедления времени используется для генерации интенсивного коротковолнового излучения в широком диапазоне частот. Такие установки немногочисленны и находят ряд практических применений. Итак, в Дарсбери таинственное явление замедления времени приобретает сугубо практическое значение.

Замедление времени создается также и гравитацией. На крыше здания время течет чуть быстрее, чем у его основания, хотя эффект слишком слаб, чтобы его можно было заметить. Однако специальные “ядерные часы” позволяют обнаружить разность в течении времени даже в масштабах высоты здания. Чтобы проверить, влияет ли гравитация на течение времени, часы помещали на борт летающих на больших высотах самолетов и ракет. Реальность замедления времени не вызывает сомнений; в космосе время течет заметно быстрее, чем на Земле.

То обстоятельство, что время не является абсолютным и универсальным, а подвержено изменениям, подрывает многие представления, основанные на нашем повседневном опыте. Если мое время может разойтись с вашим из-за того, что мы по-разному движемся или находимся в неодинаковых гравитационных полях, то не имеет смысла говорить о “времени вообще” или пользоваться понятием “теперь”. Тщетно пытаться придать смысл выражению “в этот момент”, например, на Марсе, учитывая возможность существования наблюдателей, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Точно так же бессмысленно спрашивать: “Который час на нейтронной звезде?”. Время сугубо относительно. В нашей собственной системе отсчета оно течет своим темпом. Независимо от того, как мы движемся или как меняется гравитационное поле, течение времени нам будет казаться обычным. Необычные эффекты возникают, когда сравнивается время в двух различных системах отсчета. Тогда мы обнаруживаем, что в каж-дой системе отсчета время течет по-своему. и что одна шкала вре-мени, как правило, не согласуется с другой.

Обычное становится аномальным

Под влиянием квантовой физики и теории относительности на наши традиционные представления о пространстве и времени мир приобрел неопределенность и субъективность, противоречащие его повседневной обычности. Представление об обычности возникает вследствие крайней ограниченности нашего опыта. В повседневной жизни нам не приходится двигаться с достаточно большими скоростями, которые сделали бы заметными эффекты замедления времени и сокращения пространства, и большинству из нас не приходится вторгаться в неясный и туманный мир атома. И все же рациональный, упорядоченный, основанный на здравом смысле и повседневном опыте мир обманчив. За ним скрывается сумеречная и парадоксальная картина таинственного существования и зыбких перспектив.

Не подлежит сомнению, что новая физика несет на себе весьма сильный отпечаток таинственности. Старое представление о Вселенной как часовом механизме, неукоснительно следующем по предначертанному пути и помещенном в абсолютное пространство-время, было сметено. На смену ему пришли представления, каждое из которых отражает один из аспектов повседневного опыта, но которые не укладываются в единую стройную картину. Что такое электрон — волна или частица? Каждое из этих представлений соответствует ясному мысленному образу, но их нельзя связать в единое целее, которое было бы “и тем и другим”. Столь же трудно представить себе искривленное или расширяющееся пространство. Дело в том, что пространство обычно ассоциируется с пустотой, а представить себе искривление пустоты по силам лишь немногим.

Таинственный ореол современной физики привлек к ней внимание людей, склонных к философии и мистике, увидевших в ее открытиях конец безликому материальному миру, сложившемуся в сознании людей современного технологического общества. Необычность эффектов замедления времени и сокращения пространства питает убеждения в том, что существует реальность, выходящая за пределы доступного созерцанию. Особенно привлекательно присущее новой физике целостное восприятие мира. Разочарование в естественных науках, возникшее в недавнем прошлом, в значительной степени является реакцией на традиционный научный “редукционизм”, приверженцы которого хладнокровно разлагают окружающий мир на простейшие составные части.

Ньютоновский редукционизм достиг своего апогея в знаменитом высказывании Пьера Лапласа:

Итак, будь известны точные положения и скорости всех частиц во Вселенной, тогда в принципе можно было бы определить поведение любого тела в прошлом и будущем. Представление о том, что поведение всего жестко предопределено, опровергает идею свободы волн и создает образ безжизненного и бессмысленного космоса. Такое представление становится еще более неприемлемым, если обратиться к живым существам: попытка свести все живое лишь к движению мириадов атомов, подчиняющемуся воле слепого случая, более чем что либо порождает взгляд на науку как на бездушное, негуманное занятие.

Новая физика особенно резко контрастирует с подобным традиционно редукционистским подходом. Квантовый подход решительно отвергает лапласовскнй детерминизм, отрицая, что мир можно объяснить лишь как сумму его составных частей. В следующей главе мы увидим, что две изолированные частицы, разделенные большим расстоянием, тем не менее ведут себя согласованно. В самом общем случае при любом измерении или наблюдении в квантовой физике сущность субатомной частицы нельзя рассматривать в отрыве от ее окружения. В эксперименте Юнга с двумя щелями поведение столь крошечной частицы, как элек-трон, при прохождении сквозь экран, зависит от того, открыты ли одна или обе щели. Электрон каким-то таинственным способом получает информацию о сравнительно обширной окрестности и ведет себя соответствующим образом. Аналогично направление ориентации спина электрона неотделимо от выбранного экспериментатором способа измерения. Макромир и микромир оказываются тесно связанными. Не стоит надеяться, что полного понимании строения вещества удастся достичь, зная лишь свойства его составных частиц. Только подход к системе как целому дает возможность познания свойств микромира. Большое и малое сосуществуют. Одно не исчерпывает другого, как равным образом второе не “объясняет” полностью первого.

Один из сильнейших ударов по редукционистской концепции нанес разум. Пытаясь свести все системы к функционированию ее более простых компонентов, некоторые ученые пришли, к убеждению, что разум — это активность головного мозга, которая в свою очередь представляет собой не что иное, как серию электрохимических процессов, сводимых к движению электронов и ионов. Столь крайне упрощенный материалиста ческий взгляд сводит мир человеческих мыслей, чувств и ощуще ний лишь к чисто внешнему проявлению.

В отличие от этого новая физика восстанавливает центральной положение разума в природе. Квантовая теория в обычной интерпретации приобретает смысл лишь с введением того или иного наблюдателя. Акт наблюдения в квантовой физике является не побочным обстоятельством, а средством получения информации, уже существующей во внешнем мире; наблюдатель весьма основательно вмешивается в микромир, и описание, содержащееся в уравнениях квантовой физики, явно включает акт наблюдения. Наблюдение вызывает определенное изменение в физической системе. Стоит только “взглянуть” на атом, как тот совершает характерный переход, не воспроизводимый обычным физическим взаимодействием. Здравый смысл, возможно, и сложил оружие перед лицом новой физики, но во Вселенной, какой рисуют ее последние достижения физической науки, снова нашлось место для человека.

Лабиринт парадоксов

Летом 1982 г. в Парижском университете был проведен исторический эксперимент. Французский физик Ален Аспек и его сотрудники решили проверить, не удастся ли им “перехитрить” квант. На карту были поставлены не только наиболее плодотворная научная теория, но и сама основа того, что мы считаем физической реальностью.

Как и многие решающие эксперименты в физике, парижский эксперимент восходил к парадоксу, который озадачивал и интриговал физиков и философов на протяжении почти половины века. Речь идет об одной из принципиальных особенностей квантовой физики—о неопределенности. Знаменитый принцип не-определенности Гейзенберга вынуждает вносить существенные поправки в простую, построенную на интуиции картину мира атомов, согласно которой частицы под действием сил движутся по вполне определенным траекториям. В действительности частица, например электрон, движется сложным, почти непредсказуемым образом, и проследить за ее движением в деталях или хотя бы дать его описание невозможно.

До появления квантовой теории физическую Вселенную рассматривали как огромный часовой механизм, ход которого до мельчайших деталей неукоснительно следовал безупречной логике причины и следствия, воплощенной в законах механики Ньютона, Разумеется, законы Ньютона и поныне справедливы для описания большинства явлений в окружающем нас мире. Они направляют пулю к цели и заставляют планеты двигаться точно по орбитам. Но, как мы теперь уже знаем, в масштабах атома многое обстоит совсем иначе. На смену знакомому упорядоченному движению макроскопических тел приходит беспорядок и хаос. Привычные твердые тела на поверку оказываются призрачной мозаикой, образованной всплесками энергии. Квантовая неопределенность убеждает нас, что невозможно всегда все знать о частице. Если, фигурально говоря, вы попытаетесь “пришпилить” частицу к определенному месту, она ускользнет от вас.

Эта неуловимость квантовых частиц доставила немало хлопот физикам при построении квантовой теории. В 20-х годах нашего столетия новая квантовая механика выглядела лабиринтом парадоксов. Хотя Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер были глав-ными строителями квантовой теории, ее интерпретацию предложили Макс Борн неособенно Нильс Бор. Датский физик Бор первым осознал во всей полноте, что квантовая теория в той же мере применима к веществу, как и к излучению, и в последующие годы стал ведущим авторитетом и лидером среди физиков в области концептуальных основ квантовой механики. Институт Бора в Копенгагене был центром исследований по квантовой физике на протяжении более чем десятилетия. Однажды Бор заметил своим коллегам: “Если у человека при первом знакомстве с квантовой механикой голова не идет кругом, то он не понимает в ней ничего” В своей книге “Физика и философия” Гейзенберг вспоминает о первых мучительных сомнениях по поводу смысла новой квантовой механики:

Эйнштейн пытался найти это фундаментальное свойство в нескончаемых дискуссиях с Бором — наиболее ярким выразителем взглядов той группы физиков, которые считали квантовую неопределенность неотъемлемой чертой природы, не сводимой к чему-либо другому. Эйнштейн с завидным упорством продолжал свои атаки на квантовую неопределенность, пытаясь придумать гипотетические (“мысленные”, как принято говорить) эксперименты, которые обнаружили бы логический изъян в официальной версии квантовой теории. Бор каждый раз отражал нападки Эйнштейна, опровергая его аргументы.

К тому времени было общепризнано, что любая попытка непосредственно измерить положение и импульс частицы обречена на провал по простой причине: когда вы пытаетесь измерить по

ложение частицы, само измерение вносит не поддающиеся контролю изменения в величину импульса частицы. В свою очередь измерение импульса аннулирует всю полученную ранее информацию о положении частицы. Измерение одного типа несовместимо с измерением другого типа и аннулирует его результат. И если Эйнштейн надеялся преуспеть в попытке одновременного измерения координат и импульсов, ему надлежало избрать более тонкую стратегию.

Если отвлечься от второстепенных деталей, то суть работы Эйнштейна, Подольского и Розена сводится к следующему. Пусть установлено, что невозможно непосредственно измерить в одно и то же время положение и импульс одной частицы; тогда возникает мысль взять вторую частицу — “сообщницу”. Располагая двумя частицами, можно одновременно измерять большее число величин. Если бы нам удалось каким-то образом заранее связать движение двух частиц то измерения, выполненные одновременно над обеим частицами, позволили бы экспериментатору проникнуть сквозь завесу квантовой неопределенности, непреодолимую по утверждению Бора,

Использованный Эйнштейном и его коллегами принцип достаточно известен. При игре в бильярд, когда шар, по которому игрок ударяет кием, сталкивается с другим шаром, оба они разлетаются в разные стороны. Но их движения не произвольны, а жестко связаны друг с другом законом действия и противодействия — законом сохранения импульса. Измерив импульс одного шара, можно судить об импульсе другого (который может откатиться далеко в сторону), даже непосредственно не наблюдая за ним- Закон сохранения импульса справедлив и для квантовых частиц. Значит, необходимо лишь, чтобы две квантовые частицы, 1 и 2, столкнувшись между собой, провзаимодействовали и разлетелись на большое расстояние. В этот момент можно измерить импульс частицы 1. Зная его, можно, воспользовавшись законом сохранения импульса, точно вычислить импульс частицы 2, которая, собственно, нас и интересует. Измерение импульса частицы 1, разумеется, внесет неопределенность в ее положение, но это несущественно, так как не влияет на положение частицы 2 (а нас интересует именно она), поскольку та находится далеко;

в принципе она могла бы располагаться на расстоянии нескольких световых лет. Если в один и тот же момент непосредственно измерить положение частицы 2, то ее положение и импульс станут из-лестны одновременно. Иначе говоря, мы перехитрим принцип неопределенности!

Рассуждения Эйнштейна—Подольского—Розена основаны на двух допущениях, имеющих принципиальное значение. Во-первых, предполагается, что измерение, проведенное в одном месте, не может мгновенно повлиять на частицу, находящуюся далеко от него. Такое допущение основано на том, что взаимодействие между системами ослабевает с расстоянием. Трудно представить, чтобы два электрона, разделенные расстоянием в несколько метров, а тем более световых лет, каким-то неведомым образом влияли на положение и импульс друг друга. Эйнштейн отвергал подобную мысль, называя ее “призрачным действием на расстоянии”.

Отвергая идею мгновенного дальнодействия, Эйнштейн исходил из своего убеждения, что никакой сигнал или воздействие не могут распространяться быстрее света. Это — ключевой момент теории относительности, и им не следовало пренебрегать. Кроме того, невозможность распространения сигналов со скоростью выше скорости света принципиально важна для общего определения прошлого и будущего во Вселенной. Преодоление светового барьера эквивалентно распространению сигналов назад во времени, а это чревато парадоксами.

Второе фундаментальное допущение, из которого исходил Эйнштейн со своими коллегами, было связано с признанием существования “объективной реальности”. Они предполагали, что такие характеристики, как положение и импульс частицы, существуют объективно, даже если частица удалена и эти характеристики непосредственно не наблюдаемы. Именно в этом Эйнштейн расходился с Бором. По мнению Бора, просто нельзя приписывать частице такие характеристики, как положение или импульс, если нет возможности реально их наблюдать. Измерение, выполненное кем-то еще (“по доверенности”) в счет не идет. Использование частицы-"сообщницы" — просто надувательство.

На этом этапе Эйнштейн и Бор могли признать лишь несовпадение своих позиций. Необходим был такой вариант мысленного эксперимента, который позволил бы проверить, нарушается или нет принцип неопределенности на практике. В 60-х годах Джон Белл из ЦЕРНа придумал, как это сделать. Он использовал два основных допущения Эйнштейна, Подольского и Розена (распространение сигналов со скоростью меньше скорости света и существование объективной реальности) для вывода наиболее общих соотношений между измерениями с частицей 1 и измерениями с частицей 2, причем измерениями не только положения и импульса, но и других характеристик, в частности ориентации спина. Белл обнаружил, что измерения некоторых типов позволяют различить позиции Эйнштейна и Бора, отдавая предпочтение одной из них. Иначе говоря, два упомянутых допущения позволяют сделать определенные экспериментальные предсказания, которые не подтвердились бы, будь справедлива квантовая механика в духе Бора с внутренне присущей ей неопределенностью. Таким образом, если бы удалось выполнить соответствующий реальный эксперимент, то тем самым осуществилась бы прямая проверка наличия квантовой неопределенности.

Белл записал суть различия двух соперничающих теории в форме математического соотношения, получившего название неравенства Белла. Проще говоря, если прав Эйнштейн, то результаты реального эксперимента должны подтвердить неравенство Белла. Если же прав Бор, то это неравенство не будет выполнено. Очередь теперь была за экспериментаторами.

Практическую проверку неравенства Белла не удалось осуществить в 60-е годы. Основная проблема заключалась в недостаточной точности оборудования того времени. Чтобы с уверенностью исключить обмен сигналами между двумя частицами, находящимися на некотором расстоянии друг от друга, измерения следовало произвести за столь короткий интервал времени, за который сигналы, распространяющиеся со скоростью света (или медленнее), не успевали бы преодолеть расстояние между частицами. Это означает, что при расстоянии между частицами в несколько метров измерения должны занимать не более нескольких миллиардных долей секунды.

Небезынтересен способ, которым в эксперименте Аспека выявлено различие между квантовой и альтернативной “реалистической” теориями. Экспериментаторы задались целью выяснить, в какой мере результаты измерений, производимых над одним фотоном, коррелируют с результатами измерений над другим фотоном. Как следует из неравенства Белла, “реалистические” теории предсказывают существование верхнего предела, максимального уровня корреляции. В отличие от них квантовая механика предсказывает более высокую степень корреляции: между двумя частицами как бы существует некая сверхъестественная “телепатическая” связь. Результаты измерений показали, что корреляция превосходит максимум, предусмотренный неравенством Белла, и тем самым подтвердили наличие в квантовой физике внутренней неопределенности.

На первый взгляд может показаться, будто эксперимент Ас-пека позволяет достигать скорости распространения сигналов, превышающей скорость света. Применительно к бросанию монеты это означает следующее: если у меня “орел” чаще всего совпадает с вашим, то создается впечатление, будто я могу послать вам сигнал (даже если вы не видите моей монеты), пользуясь простым кодом, например, обозначая “орел” точкой, а “решку” — тире. Если корреляция ниже 100 %, то на сигнал накладывается “шум”, но при достаточно большом числе повторений его можно передать без искажений.

Однако, как показывают дальнейшие размышления, подобная возможность передачи сигналов со скоростью выше скорости света иллюзорна. Исход каждого из моих бросаний монеты хотя и коррелирован с исходом ваших, но все же полностью непредсказуем, поскольку я не могу заранее заставить монету выпадать “орлом” или “решкой”. Если при очередном бросании у меня выпадает “орел”, то я знаю, что и у вас, вероятно, выпал “орел”, но от этого мало толку, ибо я не могу управлять последовательностью точек и тире в передаваемом сигнале, и мой сигнал вырождается в сплошной (белый) шум.

Причуды квантовой реальности

Через несколько месяцев после того, как Аспек опубликовал результаты своего эксперимента, мне выпала честь составить для Би-Би-Си документальную радиопередачу о фундаментальных парадоксах квантовой физики. В число участников передачи входили сам Аспек, Джон Белл, Дэвид Бом, Джон Уилер, Джон Тейлор и Рудольф Пайерлс. Я спросил всех участников передачи, как они оценивают результаты эксперимента Аспека и не кажется ли им, что реальность, основанная на представлениях здравого смысла, теперь мертва. Разнообразие ответов было поразительным.

А как быть с парадоксами, связанными с распространением сигналов? Возможно, что-то мешает нам управлять такими сигналами. В этих вопросах достичь полной ясности так и не удалось.

Холя не все физики согласны с ниспровержением наивной реальности, взгляды Бора остаются общепринятыми, и результаты Аспека, несомненно, лишь подкрепили их. Эта точка зрения оказывает глубокое влияние на наши представления об окружающем нас физическом мире.

Во-первых, описанная схема эксперимента с двумя частицами показывает, что свойства, частицы,, находящейся “там”, неразрывно связаны со свойствами частицы, находящейся “здесь”. Упрощающее предположение, что две частицы можно рассматривать как изолированные и независимые физические объекты только потому, что они движутся на большом расстоянии друг от друга, в корне ошибочно. Пока над частицами не производится отдельных измерений, они остаются частью единого целого. То, что мы .понимаем под свойствами частиц, определяется экспериментальной установкой в целом, а она может занимать значительную область пространства. Кроме того, хотя в эксперименте Аспека “целостная” система двух частиц умышленно поставлена в контролируемые условия, частицы продолжают вести себя естественным образом — взаимодействовать и разлетаться. Следовательно, нелокальный характер квантовых систем является общим свойством природы, а не искусственной ситуацией, созданной в лаборатории.

Некоторые ученые подчеркивали, что квантовая физика рисует картину мира, в котором отдельные частицы материи не существуют сами по себе как первичные объекты. Статусом “реальности” обладает здесь только ансамбль частиц, рассматриваемый как единое целое, в том числе и частиц, из которых состоит измерительный прибор.

Совершенно иначе выглядит традиционное представление о реальности, основанное на классической ньютоновской физике. Согласно Ньютону, вещество состоит из частиц, которые рассматриваются, однако, просто как “строительные блоки” для более крупных конструкций. Такая картина, несомненно, привлекательна, поскольку позволяет наглядно представить мириады “элементарных частиц” наподобие твердых шариков, которые, сцепляясь друг с другом, образуют обычные тела, такие, как камень. Все свойства камня в этом случае можно приписать атомам или любым другим элементарным “строительным блокам” в зависимости от последних веяний моды. Камень построен из элементарных частиц, а те в свою очередь — простые части камня и ничего более. Немецкий физик Отто Фриш, открывший деление ядер, так описывает классическую картину мира:

Подобный взгляд на природу можно с полным основанием назвать наивным реализмом.

Квантовая физика ниспровергает столь упрощенную классическую взаимосвязь целого и его частей. Квантовый подход требует рассматривать частицы только в их взаимосвязи с целым. Поэтому было бы неверно считать элементарные частицы вещества материальными объектами, которые, соединяясь в ансамбли, образуют более крупные объекты. При более точном описании мир выступает как совокупность отношений.

С точки зрения “наивного реалиста” Вселенная представляет собой совокупность объектов. Для специалиста по квантовой физике это подвижная единая ткань, состоящая из всплесков энергии, и ни одна из частей этой “ткани” не существует независимо от целого, а это целое включает и наблюдателя.

Американский физик Г. П. Стэпп так сформулировал квантовую концепцию частицы:

Невольно на память приходит строка из Уильяма Блейка: “Вселенная в песчинке видней ...”. Мы должны рассматривать все вещество и энергию в рамках всеобъемлющего единого бытия.

Еще одно следствие квантовой физики затрагивает роль наблюдателя — лица, реально выполняющего измерения. Квантовая неопределенность не переносится на производимые нами реальные наблюдения. Это означает, что в каком-то звене цепи, соединяющей исследуемую квантовую систему с экспериментальной установкой, шкалами и измерительными приборами, нашими органами чувств, нашим мозгом и, наконец, нашим сознанием, должно происходить нечто такое, что рассеивает квантовую неопределенность. Правила квантовой физики вполне определенны в этом отношении. В отсутствие наблюдателя квантовая система каким-то образом существует и развивается. После того как произведено наблюдение, поведение системы становится совершенно иным. Чем именно вызвано изменение в поведении системы, не ясно, но некоторые физики утверждают, что это изменение явно обусловлено вмешательством экспериментатора.

Этим слегка интригующим замечанием мы завершим наш рассказ о проблемах и парадоксах квантовой физики. И какие бы споры ни велись вокруг ее принципиальных основ, подавляющее большинство ученых все же сходится на том, что в своих приложениях квантовая теория работает блестяще. В частности, именно на ней основывается все описание мира элементарных частиц — того самого мира, в недрах которого погребена суперсила.

Математика как язык природы

Когда мне приходится читать первокурсникам лекцию “Основные понятия современной физики”, я всегда говорю им о красоте физики, обусловленной тем, что ее содержание может быть выражено простыми математическими законами. Это замечание обычно вызывает взрыв иронических возгласов. Причина такой реакции заключается, конечно, в том, что первокурснику, сражающемуся с премудростями вводного курса математического анализа, уравнения физики кажутся необычайно сложными и неясными. Им, первокурсникам, еще предстоит узнать, что математика — это помимо прочего еще и язык науки. И когда они постигнут премудрости этого языка, он поможет им изящно сжать описание чрезвычайно сложных вещей в лаконичный математический эквивалент, укладывающийся в одну строку.

В этом отношении математика мало чем отличается от других технических языков (хотя и неизмеримо превосходит их по мощи и универсальности). Представьте себе, что вы пытаетесь растолковать кому-нибудь суть системы финансирования на обычном языке, не прибегая к таким понятиям, как капитал, ссудный процент, инфляция, или описать работу автомобильного двигателя, не упоминая о клапанах, коленчатом вале, прокладках или карбюраторе.

Вероятно, величайшим научным открытием -всех времен следует считать осознание того, что законы природы можно записать с помощью математического кода. Причина этого нам неизвестна? носам по себе факт математического кодирования явлений природы позволяет понимать, управлять и предсказывать ход физических процессов. Разгадав код, соответствующий той или иной конкретной физической системе, мы обретаем возможность читать природу как раскрытую книгу.

То, что на первый взгляд кажется очень сложным или бессмысленным, при расшифровке “кода” может оказаться проявлением довольно простых математических соотношений. Исследуя природу, физик нередко сталкивается с такими вещами, которые сначала кажутся ему чрезмерно сложными и даже случайными. Но в дальнейшем благодаря использованию надлежащего математического аппарата сложное явление может свестись к поразительно простой математике.

Некогда пользовалась всеобщим признанием модель мира, созданная Клавдием Птолемеем (II в.), которая основывалась на предположении, что Земля покоится в центре мироздания, а планеты “прикреплены” к жестким концентрическим сферам, вращающимся с различными скоростями. Совершенствование методов наблюдения выявило более точные детали движения, для учета которых к первоначальным сферам птолемеевой системы пришлось добавить дополнительные, меньших размеров, вращающиеся вместе с большими сферами так, чтобы сочетание двух или большего числа вращении воспроизводило наблюдаемые движения планет. К тому времени, когда Коперник открыл (XVI в.) истинное строение Солнечной системы, модель Птолемея стала чрезвычайно запутанной и сложной.

Научная революция, вызванная работами Галилея и Ньютона — классический пример того, как невообразимое нагромождение фактов обретает изящную простоту при использовании более адекватной математической модели. Основное достижение Ньютона состояло в рассмотрении планет как движущихся в пространстве материальных тел, которые подчиняются физическим законам движения и закону всемирного тяготения, открытым самим Ньютоном. Благодаря этому Ньютону удалось описать размеры и форму планетных орбит, а также периоды обращения по ним планет. Результаты расчетов хорошо согласовались с данными

наблюдений. А самое главное заключается в том, что и законы движения Ньютона, и его закон всемирного тяготения даже по меркам средней школы математически очень просты. Но в совокупности они дали описание богатого и сложного разнообразия движений.

Приведенный пример иллюстрирует еще одну важную особенность физического мира. Меня часто спрашивают, почему мир так сложен, если законы физики столь просты. Ответ следует из правильного понимания того, что мы считаем физическим законом. Когда физик говорит о законе, он имеет в виду некоторое ограничение на поведение определенного класса систем. Например, простой закон гласит: все брошенные бейсбольные мячи описывают параболические траектории. Этот закон можно проверить, наблюдая полеты большого числа бейсбольных мячей. Но закон не утверждает, что все траектории одинаковы. Если бы все мячи летели по одинаковым траекториям, то бейсбол оказался бы скучной игрой. Одни параболы плоские и стелятся низко, другие — крутые и взмывают высоко. И хотя все эти траектории принадлежат к одному и тому же классу кривых — к параболам, существует бесконечное разнообразие форм параболических кривых, так что есть из чего выбрать.

Что же определяет конкретную параболическую траекторию, по которой летит данный бейсбольный мяч? Именно в выборе траектории и проявляется искусство бейсболиста, так как ее форма зависит от того, с какой скоростью и под каким углом к горизонту брошен мяч. Эти два дополнительных параметра, называемые “начальными условиями”, и следует задать для однозначного выбора траектории.

Красота как путеводная нить к истине

Красота — понятие туманное, однако нет сомнений в том, что именно она служит источником вдохновения ученых. В некоторых случаях, когда дальнейший путь не ясен, именно математическая красота и изящество ведут ученых к истине. Физик интуитивно чувствует, что природа предпочитает красивые “решения” некрасивым. До сих пор это убеждение, несмотря на его субъективизм, служило надежным и могущественным спутником физиков,

Однажды в беседе с Эйнштейном Гейзенберг заметил:

Затем Гейзенберг пустился в рассуждения о “почти пугающей простоте и цельности соотношений, которые природа внезапно открывает перед нами”, — эта тема волновала многих его современников. Поль Дирак, пойдя еще дальше, провозгласил: “Красота уравнений важнее, чем их согласие с экспериментом”. Дирак имел в виду, что игра творческого воображения может привести к созданию теории, столь привлекательной, что физики отринут всякие сомнения в ее истинности, прежде чем теория будет подвергнута экспериментальной проверке, и не отвергнут ее даже столкнувшись с, казалось бы, противоречащими ей экспериментальными данными.

Ту же мысль проводит и популяризатор науки Ричард Моррис в своей замечательной книге “Разоблачение Вселенной”:

Моррис рассказывает, как Эйнштейн реагировал на известие о том, что решающее предсказание его общей теории относительности получило подтверждение при астрономических наблюдениях. Эйнштейн отнесся к сообщению совершенно безучастно, и когда его спросили, как бы он отреагировал, если бы результаты противоречили его теории, ответил: “Мне было бы жалко Господа Бога, ведь теория-то правильная”.

никаких особенностей, кривую отнюдь не сразу поставишь в соответствие чему-либо, известному из повседневной жизни. Если бы вас попросили запомнить кривую и при случае точно воспроизвести ее, задача оказалась бы безнадежной. Вы легко могли бы воспроизвести, скажем, окружность или какую-нибудь белее сложную, но легко узнаваемую кривую, например эллипс (который представляет собой не что иное, как окружность, рассматриваемую под некоторым углом); однако кривая на рис. 6 обладает более сложной структурой, чем окружность: и наклон касательной к ней, и кривизна кривой изменяются вдоль нее по определенному закону, который тем не менее трудно установить Точно.

“Экспоненциальная функция — одно из самых изящных соотношений, известных человеку”, — утверждает математик. Почему?

формой самой кривой и формой кривой, описывающей угол наклона касательной к ней (градиент).

Умение находить с помощью математического анализа скрытые соотношения и симметрии, подобные, описанным выше, характеризует профессиональное мастерство физиков. Нередко более тонкие симметрии удается обнаружить, только коренным образом изменив математическое описание. Так произошло при переходе от птолемеевой космологии к ньютоновской механике, гораздо позднее — и с самой ньютоновской механикой.

В XIX в. законы Ньютона были математически полностью переформулированы французским физиком Жозефом Луи Ла-гранжем и ирландским физиком Уильямом Роуэном Гамильтоном. И тот и другой видоизменили математическое описание с тем, чтобы подчеркнуть простоту и изящество, заключенные в механике Ньютона. В работе Гамильтона, в частности, неожиданно оказался предвестник квантовой революции, которой предстояло опрокинуть всю классическую физику. Но до этого было еще далеко.

Основная проблема механики состоит в том, чтобы понять, описать и предсказать траектории (пути), по которым движутся материальные частицы под воздействием приложенных сил. Эти траектории, очевидно, имеют самый различный вид в зависимости от характера действующих сил. Задача о путях распространения в прозрачной среде световых лучей на первый взгляд кажется другой. Свет не подчиняется законам механики Ньютона, хотя хорошо известно, что при прохождении через среду с изменяющейся плотностью световые лучи искривляются. Например, нам кажется, что погруженная в пруд палка имеет излом в том месте, где входит в воду. Дело в том, что световые волны замедляются в плотных средах, и вторичные волны, исходящие из различных точек волнового фронта, встречая на своем пути участки среды с различной плотностью, образно говоря, “сбиваются с шага”:

одни идут медленнее, другие быстрее. В большинстве случаев световой луч в конечном счете распространяется по пути, на котором от точки к точке затрачивается наименьшее время. Таким образом, поведение светового луча можно понять на основе теории волн, которые распространяются со скоростью, изменяющейся в зависимости от свойств среды, через которую они проходят.

Изменив математическую формулировку механики Ньютона, Гамильтон заметил, что наиболее сжатое выражение законов движения содержится в математическом соотношении, тождественном принципу минимального времени распространения световых волн. Грубо говоря, частицы стремятся переходить отточки к точке по наиболее легкому пути, т. е. с наименьшим сопротивлением,

который в большинстве случаев оказывается и кратчайшим, т. е. требующим наименьших затрат времени. Тем самым было установлено, что материальные частицы и световые волны, несмотря на различие их характера и поведения, с математической точки зрения распространяются более или менее одинаковым образом.

Этот поразительный результат, полученный исключительно при попытке записать законы механики в новой математической форме, обнаруживает глубокую гармонию в природе, которая наводит на мысль, что в природе должны действовать и другие скрытые принципы. Взглянув ретроспективно, мы видим теперь, в чем состоят эти принципы. Тесная взаимосвязь между движением частиц и распространением световых волн указывает на то, что с материальными частицами могут связываться и некоторые волновые свойства. “Волны материи”, о которых мы упоминали в гл. 2 и 3, послужили отправным пунктом развития квантовой теории. Таким образом, математическая оптика Гамильтона, которая первоначально казалась лишь жонглированием математическими символами, предстает перед нами в новом свете — как провозвестник новой волновой теории материи.

Симметрия

Понятие симметрии хорошо знакомо и играет важную роль в повседневной жизни. Многим творениям человеческих рук умышленно придается симметричная форма как из эстетических, так и практических соображений. Мяч симметричен, так как выглядит одинаково, как бы его ни поворачивали вокруг центра. Круглая печная труба сохраняет свой внешний вид при более ограниченном наборе вращении — поворотах вокруг вертикальной оси, проходящей через центр поперечного сечения.

В природе симметрия также встречается в изобилии. Снежинка обладает удивительнейшей гексагональной симметрией. Кристаллы также имеют характерные геометрические формы — вспомним хотя бы кубическую форму кристаллов соли, отражающую регулярность атомной структуры. Падающая дождевая капля имеет форму идеальной сферы и, замерзая, превращается в ледяной шарик — градину.

Другой вид симметрии, часто наблюдаемый в природе и в созданных человеком вещах, — так называемая зеркальная симметрия. Человеческое тело обладает (приближенно) зеркальной симметрией относительно вертикальной оси. В зеркале правая и левая руки и другие части тела меняются местами, но видимое Вами зеркальное отражение узнаваемо. Многие архитектурные сооружения, например арки или соборы, обладают зеркальной симметрией.

Между геометрической симметрией и тем, что в физике при' нято называть законами сохранения, существует тесная связь. Законы сохранения говорят нам, что некоторые величины не из-меняются со временем. В американском футболе число игроков на поле сохраняется. Игроки могут выходить на поле и уходить с поля, но общее число их остается постоянным. В физике существует закон, согласно которому в любой изолированной системе энергия, импульс и момент импульса должны сохраняться. Это отнюдь не означает, что изолированная система не может изменяться, — просто любое изменение, происходящее в системе, должно быть таким, чтобы три названные величины оставались постоянными. В бильярде, где из-за гладкой текстуры поверхности бильярдного стола шары приближенно можно считать механически изолированными, законы сохранения энергии и импульса определяют направления движения и скорости шаров.

Симметрии, соответствующие вращению или отражению, наглядны и радуют глаз, но они не исчерпывают весь запас симметрий, существующих в природе. Исследуя математическое описание той или иной физической системы, физики открывают время от времени новые и неожиданные симметрии. Симметрии таинственно и тонко “запрятаны” в математическом аппарате и совсем не очевидны тому, кто наблюдает саму физическую систему. Манипулируя символами в уравнениях, физики пытаются раскрыть весь набор симметрий, в том числе и таких, которые не видны “невооруженным глазом”.

Классический пример такого рода, возникший на рубеже нашего столетия, относится к законам электромагнитного поля.

Несколькими десятилетиями раньше Майкл Фарадей и другие физики установили, что электричество н магнетизм тесно связаны между собой и что одно порождает другое. Действие электрических и магнитных сил удобнее всего было описать, пользуясь понятием поля — невидимого воздействия, создаваемого материей, простирающегося далеко в пространство и способного влиять на электрически заряженные частицы, электрические токи и магниты. Действие такого поля можно наблюдать, если попытаться сблизить два магнита: не соприкасаясь друг с другом, они будут отталкиваться или притягиваться.

Позднее, в 50-х годах XIX в., Джеймс Клерк .Максвелл, опираясь на эти факты, разработал теорию, связав электрическое и магнитное поля единой системой уравнений. Сначала Максвелл обнаружил, что эти уравнения “несбаланскрованны”: члены, относящиеся к электрическому и магнитному полям, входят в них не вполне симметрично. Чтобы придать уравнениям более красивый и симметричный вид, он ввел дополнительный член. Его можно было бы интерпретировать как не замеченный ранее эффект — порождение магнетизма переменным электрическим полем, но оказалось, что такой эффект действительно существует. Природа, очевидно, одобрила эстетический вкус Максвелла!

Введение дополнительного члена в уравнения Максвелла повлекло за собой чрезвычайно глубокие последствия. Во-первых, это позволило соединить электрическое и магнитное поля в единое электромагнитное поле. Уравнения Максвелла можно считать первой единой теорией поля, первым шагом на долгом пути к суперсиле. Они показали, что две силы природы, кажущиеся на первый взгляд совершенно различными, в действительности могут оказаться двумя различными проявлениями объединяющей их силы.

Пойдя дальше, Максвелл предсказал также существование электромагнитных волн другой длины, и через несколько лет его предсказание подтвердилось: Генрих Герц открыл в лабораторных условиях радиоволны. Сегодня мы знаем, что гамма-, рентгеновское, инфракрасное, ультрафиолетовое и СВЧ-излуче-ния также представляют собой электромагнитные волны. Небольшая добавка, внесенная Максвеллом в уравнения (носящие ныне его имя) из соображений симметрии, принесла большие результаты.

Открытие электромагнитных волн имело далеко идущие последствия, приведя к появлению радиотехники и в конечном счете к современной революции в электронике. Это великолепный пример, наглядно демонстрирующий не только гигантские возможности математики в описании мира и расширении нашего знания о нем, но и роль симметрии и красоты как путеводного принципа. Но оценить полностью все следствия, вытекающие из симметрии уравнений Максвелла, удалось лишь через пятьдесят лет.

На рубеже XX в. Анри Пуанкаре и Хендрик Лоренц исследовали математическую структуру уравнений Максвелла. Иx особенно интересовали симметрии, скрытые в математических выражениях, — симметрии, которые тогда -еще не были известны. Оказалось, что знаменитый “дополнительный член”, введенный Максвеллом в уравнения для восстановления равноправии электрического и магнитного полей, соответствует электромагнитному полю, обладающему богатой, но тонкой симметрией, которая выявляется лишь при тщательном математическом анализе. По-видимому, только Эйнштейн с его сверхъестественной интуицией мог предвидеть из физических соображений существование подобной симметрии.

Симметрия Лоренца—Пуанкаре аналогична по своему духу таким геометрическим симметриям,-как вращения и отражения, но отличается от них в одном важном отношении: никому до этого не приходило в голову физически смешивать пространство и время. Всегда считалось, что пространство — это пространство, а время — это время. То, что в симметрию Лоренца—Пуанкаре входят оба компонента этой пары, было странно и неожиданно.

По существу новую симметрию можно рассматривать наподобие вращения, но не только в одном пространстве. Это вращение затрагивает и время. Если к трем пространственным измерениям добавить одно временное, то получится четырехмерное пространство-время. Симметрия Лоренца—Пуанкаре — это своего рода вращение в пространстве-времени. В результате такого вращения часть пространственного интервала проектируется на время и наоборот. То, что уравнения Максвелла симметричны относитель

но операции, связывающей воедино пространство и время, наводит на размышления.

Понадобился гений Эйнштейна, чтобы полностью осознать все следствия такой симметрии. Пространство и время не существуют независимо друг от друга, они неразрывно связаны. Хитроумные “вращения” Лоренца и Пуанкаре — не просто абстрактная математика, они могут происходить в реальном мире, осуществляясь через движение. Ключ к причудливым пространственно-временным “проекциям”, или преобразованиям, лежит в скорости света и других электромагнитных волн, и величина этой скорости также следует непосредственно из уравнений Максвелла. Таким образом, существует глубокая взаимосвязь между распространением электромагнитных волн и структурой пространства и времени. Когда наблюдатель движется со скоростью, близкой к скорости света, пространство и время сильно изменяются, причем симметрично, и это отражено в математических соотношениях, полученных Лоренцем и Пуанкаре. Именно такой необычный эффект, столь противоречащий здравому смыслу, был описан в гл.2. Постижение столь тонкой и ранее не известной симметрии природы послужило толчком к созданию теории относительности Эйнштейна, а та в свою очередь ознаменовала рождение новой физики, потрясшей научный мир и изменившей лицо двадцатого столетия.

Более абстрактные симметрии

Урок, преподнесенный работами Лоренца и Пуанкаре, состоит в том, что математическое исследование, в особенности на основе анализа симметрии, может стать источником выдающихся достижений в физике. Даже если заложенные в математическом описании симметрии трудно или невозможно представить себе наглядно физически, они могут указать путь к выявлению новых фундаментальных принципов природы. Поиск новых симметрий стал главным средством, помогающим физику в наши дни продвигаться к пониманию мира. Как мы увидим далее, суперсила — это высшее проявление симметрии в природе.

Но коль скоро электрический заряд сохраняется, естественно возникает вопрос о том, какова природа симметрии, связанной с этим законом сохранения. Тщетно стали бы мы искать геометрическую симметрию, лежащую в основе закона сохранения электрического заряда. Но в природе далеко не все симметрии имеют геометрический характер. Рассмотрим, например, явление ин-фляции в экономике. Когда реальная стоимость доллара падает, падает и благосостояние лиц с фиксированным доходом. Но если чей-то доход следует индексу цен, то реальная покупательная способность этого лица не будет зависеть от стоимости доллара. Можно сказать, что доход, “привязанный” к уровню цен, симметричен относительно инфляционных процессов.

В физике также существует много симметрий негеометриче-ского характера. Одна из них связана с работой, совершаемой при подъеме тела. Затрачиваемая энергия зависит от разности высот, которую требуется преодолеть при этом (но не зависит от траектории подъема). Однако энергия не зависит от абсолютной высоты: безразлично, измеряются высоты от уровня моря или от уровня суши, — важна только разность высот. Следовательно, существует симметрия относительно выбора начала отсчета

Аналогичная симметрия существует и для электрических полей. Роль высоты в этом случае играет напряженые (электриче-ский потенциал). Если электрический заряд движется в электрическом поле от одной точки к другой, то затрачиваемая энергия зависит только от разности потенциалов между конечной и начальной точками. Если к системе приложить Дополнительное постоянное напряжение, то энергия, затрачиваемая на перемещение электрического заряда в поле, не изменится. Это еще одна скрытая симметрия уравнений Максвелла для электромагнитного поля!

Нуклоны теряют свою индивидуальность

Последней пример абстрактной симметрии, которому отводится главная роль в последующих главах, демонстрирует сильное ядерное взаимодействие между протонами и нейтронами. Эксперименты показывают, что величина и другие свойства этого взаимодействия не зависят от того, о каких частицах идет речь — протонах или нейтронах. Действительно, протоны и нейтроны удивительно похожи друг на друга. Их массы отличаются всего лишь на 0,1 %. У них одинаковые спины и на них одинаково действуют ядерные силы. Единственно, чем они отличаются, — это наличием у протона электрического заряда, но поскольку при ядерных взаимодействиях электрический заряд не имеет значения, он служит лишь меткой протона. Заряд позволяет распознавать протон и отличать его от нейтрона, но никак не сказывается на ядерном взаимодействии, связывающем протоны и нейтроны. Если протон лишить электрического заряда, то он утратит свою индивидуальность.

Тесное сходство протона и нейтрона наводит на мысль, что здесь существует симметрия. Действительно, на ядерных процессах никак не отразится, если бы мы каким-то образом смогли заменить все протоны нейтронами и наоборот. Можно пойти и дальше. Представим себе, что у нас есть волшебная ручка с указателем, поворачивая которую, мы можем превращать протоны в нейтроны. Предположим, когда указатель находится в верхнем положении, все рассматриваемые частицы — протоны; если же ручку повернуть на пол-оборота, так чтобы указатель был направлен вниз, все протоны превратятся в нейтроны (рис. 8). Разумеется,

это чисто мысленный эксперимент, так как в действительности мы не можем превращать протоны в нейтроны, а нейтроны'в протоны. Эта абстрактная модель позволяет нам обнаружить абстрактную симметрию, но она очень полезна, поскольку помогает понять природу сильного взаимодействия.

Если волшебная ручка снабжена двумя указателями, один из которых смотрит вверх, а другой — вниз (рис. 9), то вращая ручку, мы будем одновременно наблюдать превращение протонов в нейтроны, а нейтронов в протоны. Положение ручки, изображенное на рие. 9, а, соответствует нынешнему состоянию Вселенной. При повороте ручки (рис. 9, б) протоны начинают превращаться в нейтроны, а нейтроны — в протоны, и степень сродства с нейтронами у протонов равна степени сродства с протонами нейтронов. Когда же ручка совершит пол-оборота, все протоны превратятся в нейтроны, а нейтроны — в протоны.

Ручка с указателями — это не более чем удобный прием, позволяющий наглядно проиллюстрировать свойство симметрии ядерных сил. Применительно к рассматриваемой модели можно сказать, что в сущности ядерные силы не зависят от положения указателя. Направлен ли он вверх, вниз, вбок или под любым про” межуточным углом, ядерные 'силы останутся неизменными. Это свойство получило довольно громоздкое название — симметрия изотопического спина, или изотопическая симметрия. Слово “изотопический” здесь связано с тем, что ядра, отличающиеся только

числом нейтронов, называются изотопами, а свойства симметрии, о которой идет речь, аналогичны свойствам собственного спина, упоминавшегося в гл. 2.

Физика и фантазия

Понятие изотопического спина — великолепный пример роли абстрактного мышления в физике. Как мы увидим, введение этого понятия имело глубокие последствия. В реальном мире нет “волшебных ручек с указателями”, нет и устройств для измерения сродства с протонами у нейтронов и с нейтронами у протонов. Идея смешения индивидуальности протонов и нейтронов — плод чисто теоретической мысли, своего рода фантазия. Но логически она вполне допустима. Мы можем мысленно представить себе го-добное, даже если в реальном мире это исключено. То, что воображаемый процесс может иметь самое непосредственное отношение к физике реального мира, возможно, покажется удивительным, но таким приемом очень эффективно пользуется современный физик. Свою науку он рассматривает как модель, описывающую реальный мир наблюдений. Эта модель может включать множество Дополнительных особенностей, которые, хотя сами по себе и не отражают реального опыта, играют важную роль в теории. Почему физикам приходится придумывать чисто умозрительные, абстрактные понятия для моделирования реального мира?

Разве нельзя ограничиться исключительно наблюдаемыми величинами? Ведь в конце концов теорию можно проверить только при конкретном наблюдении, и умозрительные особенности модели никогда не входят явно в предсказания теории, относящиеся к реальным наблюдениям. Так стоит ли вообще прибегать к чистому вымыслу?

Включение умозрительных понятий в физические теории — обычная практика, которую труднее всего объяснить неспециалисту. Разумеется, когда какой-нибудь конкретный “вымысел”, например изотопическая симметрия, приносит теории блестящий успех, физик может ответить: “Я воспользовался этой идеей потому, что она работает!”.

Поразительно, каким же образом физик догадывается, какую именно абстракцию в духе кэрролловской “Алисы в Стране Чудес” следует ввести в теорию? Поскольку речь идет о чисто воображаемых понятиях, скептику может показаться, что годится любой вымысел: “Зачем выбирать то, что действительно встречается во внешнем мире, если можно придумать что угодно?”. Диапазон выбора ничем не ограничен. Но как выбрать “то, что нужно”?

Дойдя в беседе с неспециалистом до этого момента, физик обычно начинает прибегать к таким словам, как красота, математическое изящество и симметрия. Хотя включение умозрительных, абстрактных идей, например калибровочной симметрии, логически не обязательно для построения удачной теории (в принципе все теории можно было бы формулировать, целиком основываясь на наблюдаемых величинах), использование абстрактных понятий позволяет иногда значительно упростить теорию, сделав ее более привлекательной.

Взять хотя бы представление о поле, оказавшееся столь результативным для физики и техники. Оно было введено Фара-деем и Максвеллом как некая абстракция. Мы не можем непосредственно ни увидеть электромагнитное поле, ни прикоснуться к нему. О том, что оно существует, мы знаем только по его действию на электрические заряды. Вместе с тем, так как поле порождается только другими электрическими зарядами, в действительности мы имеем дело с взаимодействием электрических зарядов. Но коль скоро наблюдаемы именно заряды, то зачем вообще вводить поле? Почему бы нам не говорить просто о том, каким образом заряды взаимодействуют между собой через пространство, и не сформулировать все уравнения теории электричества, пользуясь только понятием зарядов?

Ничего невозможного здесь действительно нет. Различие состоит лишь в том, что при этом получится громоздкая и сложная теория. Строго говоря, эти качества, по-видимому, невозможно оценить, но физик немедленно распознает их. Теория поля гораздо изящнее. Ее математический аппарат более естествен,

гармоничен, взаимосвязан и более экономичен. И дает больше пищи для размышлений.

Последнее обстоятельство очень важно. Изящная, продуманная в деталях, абстрактная теория часто подсказывает новые пути развития физики, которые просто невозможно было бы увидеть, придерживаясь моделей, основанных исключительно на конкретных наблюдаемых величинах. Например, квантовая теория поля, столь важная для суперсилы и ряда последних достижений в области фундаментальных исследований, не смогла бы возникнуть, не получи понятие поля такого широкого распространения в физике.

Когда абстрактное понятие оказывается столь эффективным, что становится достоянием широких кругов неспециалистов, различие между реальным и умозрительным постепенно исчезает. Понятие, возникшее в воображении физика, становится привычным настолько, что как бы обретает реальность. Именно так произошло с энергией. Понятие энергии первоначально выглядело физике абстрактнои идеей. Популярность она обрела благодаря закону сохранения, согласно которому энергия не возникает из ничего и не уничтожается. Но что такое энергия? Разве можно ее видеть или осязать?

Когда груз поднимается над землей, совершается определенная работа. Мы говорим, что при совершении этой работы затрачивается энергия, но закон сохранения энергии утверждает, что энергия не исчезает бесследно, а только переходит в другую форму. Мы видим, как напрягаются мышцы человека, поднимающего тяжесть. Можно считать, что мы действительно наблюдаем энергию в действии, когда видим искаженные от напряжения черты лица и вздувшиеся бицепсы. Но вот вес поднят и спокойно лежит на платформе. Куда же девалась энергия? Можно ли по-прежнему видеть ее?

Физик скажет, что энергия запасена грузом, так как он находится теперь на некоторой высоте. В таком ответе скрыто представление о потенциальной энергии. Энергия в этом случае хотя и невидима, но может легко высвобождаться — стоит выбить опору из-под груза, как он тотчас рухнет вниз. Звук от удара груза о землю унесет часть энергии, высвободившейся при падении груза.

В этом же кроется его привлекательность и полезность. Природа красива. Мы не знаем, почему, но опыт учит нас, что красота влечет за собой полезность. Эффективные теории всегда красивы. Но красивы они не потому, что эффективны, а потому, что наделены внутренней симметрией и экономичны с точки зрения математики. Красота в физике — представление, включающее в себя профессиональную интуицию, и объяснить суть его неспециалисту трудно, так как оно наилучшим образом выражается на языке, не знакомом непосвященному, — на языке математики. Но для того, кто владеет этим языком, красота теории столь же очевидна, как красота поэзии.

Едва начав размышлять над окружающим миром, человек осознал, что этот мир изменчив. Он преисполнен активности — движется Солнце, дует ветер, парят птицы, струятся водные потоки. Еще в древности человек заметил, что происходит смена времен года, стареют люди, изнашиваются орудия Труда.

Но какая причина вызывает все эти изменения и движение? Одни объекты, такие, как живые существа, содержат источник движения внутри себя, другим, подобным камням, стрелам, топорам, чтобы прийти в движение, требуется внешнее воздействие. Сначала между движением тела в пространстве и изменениями более общего характера не проводилось четкого различия. Точные понятия скорости и ускорения еще не были сформулированы. Наши далекие предки, безусловно, размышляли о силах, сотворивших мир и вызывающих его изменение, но в их представления это были силы магического свойства, не отделимые от веры в богов и злых духов, правящих миром.

Древнегреческие философы предприняли более систематическое изучение процессов изменения и движения, но так и не смогли до конца разобраться в причинах, порождающих то и другое. Аристотель считал, что ключом к пониманию движения служит понятие сопротивления. Он заметил, что в разреженной среде, например в воздухе, тело движется свободнее и, следовательно, быстрее, чем в плотной среде, скажем в воде; в обоих случаях для преодоления сопротивления среды необходима движущая сила. Аристотель отверг идею атомистов о частицах, свободно движущихся в пустоте, ибо пустота, лишенная субстанции, не могла бы оказывать сопротивление движению. Поэтому частицы в пустоте должны были бы двигаться с бесконечной скоростью, что абсурдно.

Современное (техническое) представление о силе полностью сложилось лишь в XVII в. вслед за признанием законов движения Ньютона. Великим достижением Ньютона стало осознание того,

Энергия — одно из наиболее устойчивых абстрактных понятий в физике. Оно необычайно упрощает описание широкого круга физических процессов. Закон сохранения энергии охватывает огромное множество экспериментальных фактов, которые, не будь понятия энергии, пришлось бы рассматривать по отдельности. Понятие энергии позволяет нам связать воедино многие идеи и поэтому не может не быть красивым.

В этом же кроется его привлекательность и полезность. Природа красива. Мы не знаем, почему, но опыт учит нас, что красота влечет за собой полезность. Эффективные теории всегда красивы. Но красивы они не потому, что эффективны, а потому, что наделены внутренней симметрией и экономичны с точки зрения математики. Красота в физике—представление, включающее в себя профессиональную интуицию, и объяснить суть его неспециалисту трудно, так как оно наилучшим образом выражается на языке, не знакомом непосвященному, — на языке математики. Но для того, кто владеет этим языком, красота теории столь же очевидна, как красота поэзии.

Одна из величайших трагедий нашего общества состоит в том, что в силу страха перед премудростью, плохого преподавания или просто без всяких причин поэзия математики и музыка при- роды скрыты от большинства людей. Великолепные перспективы, которые открывает математика, недоступны для них. Они могут 1 восхищаться ароматом розы или буйством красок заката, но ощутить всю полноту эстетического переживания им, увы, не дано.

Едва начав размышлять над окружающим миром, человек осознал, что этот мир изменчив. Он преисполнен активности — движется Солнце, дует ветер, парят птицы, струятся водные потоки. Еще в древности человек заметил, что происходит смена времен года, стареют люди, изнашиваются орудия труда.

Современное (техническое) представление о силе полностью сложилось лишь в XVII в. вслед за признанием законов движения Ньютона. Великим достижением Ньютона стало осознание того, что движение как таковое отнюдь не требует приложения силы. Материальное тело будет двигаться с постоянной скоростью в заданном направлении без какого бы то ни было внешнего воздействия. Только отклонение от равномерного прямолинейного движения требует объяснения, т. е. наличия силы. Ньютон установил, что сила вызывает ускорение и вывел точную математическую формулу, связывающую эти величины.

Теория Ньютона позволила объяснить загадку движения Земли вокруг Солнца. Нет никакой видимой причины, вынуждающей Землю двигаться по орбите. В теории Ньютона такая причина и не требуется. Само движение Земли не требует объяснений;

в объяснении нуждается только отклонение от равномерного прямолинейного движения. Траектория Земли в пространстве искривляется относительно направления на Солнце, что легко объяснить солнечным притяжением.

Однако тщательный анализ показывает, что несмотря на столь большое разнообразие, все происходящее в природе можно свести всего к четырем фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все в мире, именно они являются источником всех изменений. Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий имеет свои отличия и в то же время сходство с тремя остальными. Изучение свойств четырех фундаментальных взаимодействий составляет основную задачу физика и важную предварительную ступень на пути к суперсиле.

Исторически гравитация (тяготение) первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Хотя человек всегда был знаком с гравитацией и основывал на ней сами понятия “вверх” и “вниз”, истинную роль

гравитации как силы природы удалось в полной мере осознать только после появления в XVII в. ньютоновской теории гравитации — закона всемирного тяготения. До этого гравитация неразрывно связывалась о Землей и смешивалась с господствовавшим в то или иное время космологическим представлением. Аристотель, считавший, что Земля находится в центре мироздания, усматривал в стремлении тел падать на землю просто пример проявления общего принципа, согласно которому все тела имеют “естественное место” в нашем мире и стремятся занять его. Массивные тела стремятся вниз, тогда как газообразные воспаряют к небесам, т. е. к менее материальной с4)ере. Небесные эфирные элементы обращаются вокруг Земли по строго круговым орбитам, которым соответствует геометрически наиболее совершенное движение.

В средние века, когда закладывались более современные астрономические представления, стало очевидным, что гравитация не ограничена лишь Землей и что гравитационные силы действуют между Солнцем, Луной, планетами и вообще всеми телами в космическом пространстве. Одним из наиболее убедительных подтверждений универсального характера гравитации явилось объяснение Ньютоном океанских приливов действием гравитационного притяжения Луны. Ньютоновский закон обратных квадратов стал воплощением “дальнодействующей” природы гравитации. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В этом нам “повезло”, поскольку гравитация буквально не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, “связывает” звезды в галактики, препятствуя разбеганию звезд в космическом пространстве. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль.

Важная особенность гравитации — ее универсальность. Ничто во Вселенной не избавлено от нее. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации, или, как говорят физики, участвует в гравитационном взаимодействии. Гравитация влияет даже на энергию. К тому же каждая частица сама является источником гравитации. Более того, сила гравитационного взаимодействия одинакова у всех частиц — именно это обстоятельство неявно выражено в'знаменитом наблюдении (приписываемом Галилею), что все тела независимо от их веса или состава падают одинаково.

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание, или “антигравитация”, никогда еще не наблюдалось. Причина этого вполне понятна. Гравитационному отталкиванию должна соответствовать отрицательная энергия. Но поскольку энергия, запасенная в любой частице, всегда положительна и наделяет ее положительной массой, частицы под действием гравитации всегда стремятся сблизиться. Отрицательная энергия в этом смысле есть нечто непонятное. Но хотя частицы не могут обладать отрицательной энергией, энергия поля может быть отрицательной; это приводит к глубоким последствиям, которые мы рассмотрим в дальнейшем.

Возможно, наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Величина гравитационного взаимодействия между компонентами атома водорода составляет }0-зв (у,, силы взаимодействия электрических зарядов. Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной! В- мире субатомных частиц гравитация настолько слаба, что физики склонны полностью пренебрегать ею. Она не проявлялась ни в одном из наблюдавшихся до сих пор процессов с участием частиц.

Гравитационное взаимодействие макроскопических объектов также остается для нас незаметным. Когда мы идет по улице, огромные здания притягивают нас слабыми гравитационными “щупальцами”, но это притяжение слишком слабо, чтобы его ощутить. Однако высокочувствительные устройства в состоянии уловить гравитационные эффекты. Еще в 1774 г. шотландец Невил Маскелин обнаружил незначительное отклонение отвеса от вертикали, вызванное гравитационным притяжением расположенной поблизости горы. В 1797 г. Генри Кавендиш поставил знаменитый эксперимент, тщательно измерив едва уловимую силу притяжения между двумя шариками, прикрепленными на концах горизонтально подвешенного деревянного стержня, и двумя большими свинцовыми шарами. Это было первое лабораторное наблюдение гравитационного притяжения между двумя телами.

Может показаться удивительным, что мы вообще ощущаем гравитацию, коль скоро она так слаба. Как она может оказаться основной силой во Вселенной? Ответ кроется в универсальности гравитации. Поскольку каждая частица вещества вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. Действие гравитационного притяжения одного электрона или протона пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех электронов или протонов может быть значительной. Если бы антигравитирующих частиц было столько же, сколько гравитирующих, то одни частицы нейтрализовали бы другие и сила гравитации, хотя и существовала бы, не была бы заметной, поскольку оказалась бы слишком слабой.

Гравитацию следует рассматривать как поле. Каждая частица является источником гравитационного поля, окружающего ее невидимым ореолом. Другая частица, находящаяся в этом гравитационном поле, испытывает на себе действие силы. Поле—это не просто способ описания гравитации. Как уже упоминалось в гл. 2, в поле могут существовать волнообразные возмущения. Подобно тому как Максвелл обнаружил, что в электромагнитном поле могут возникать волны, распространяющиеся в пространстве, Эйнштейн установил, что волны могут зарождаться и в гравитационном поле.

Ньютоновская теория гравитации, остававшаяся незыблемой на про1яжении более 200 лет, была повержена новой физикой, возникшей в первые десятилетия XX в. Долгое время не удавалось объяснить расхождение между предсказаниями теории Ньютона и результатами наблюдений орбиты планеты Меркурий, которая имеет не вполне эллиптическую форму. Небольшое вращение — прецессия — орбиты обусловлено гравитационным возмущением, вызванным воздействием других планет, но и после учета этих возмущений сохранялось небольшое расхождение — всего 43 угловые секунды в столетие, — которое не могла объяснить теория Ньютона.

Более серьезные затруднения возникли, когда теория Ньютона столкнулась с теорией относительности. Согласно Ньютону, гравитационное взаимодействие между двумя телами передается через пространство мгновенно, так что, если бы Солнце вдруг исчезло, траектория Земли тотчас же перестала бы искривляться, хотя мы продолжали бы видеть Солнце еще в течение 8 мин после его исчезновения — за это время солнечный свет достигает Земли. Согласно теории относительности Эйнштейна невозможно распространение физического сигнала со скоростью выше скорости света, и таким образом она вступает в противоречие с теорией гравитации Ньютона.

Пытаясь расширять свою теорию так, чтобы включить в нее гравитацию, Эйнштейн создал (1915) общую теорию относительности, которая не только вытеснила закон всемирного тяготения Ньютона, но и в корне изменила сами “идейные” основы нашего понимания гравитации. В теории Эйнштейна гравитация — это не сила, а проявление искривления пространства-времени. Тела вынуждены следовать по искривленным траекториям вовсе не потому, что на них действует гравитация, — просто они движутся кратчайшим, самым “быстрым”, путем в искривленном пространстве-времени. По Эйнштейну гравитация обусловлена просто геометрией.

Теория Ньютона вполне применима во всех практических приложениях, в частности в авиации и космонавтике, она вполне адекватно описывает и большинство астрономических систем.

Считается, что существование электричества впервые установил древнегреческий философ Фалес Милетский. Он заметил, что, если кусок янтаря потереть о шелк или мех, янтарь обретает способность притягивать мелкие предметы. Янтарь по-гречески называется электрон. В средние века открытое Фалесом странное явление тщательно изучал придворный медик английской королевы Елизаветы I Уильям Гильберт, который обнаружил, что способность электризоваться присуща и многим другим веществам. Дальнейшие исследования, проведенные в Англии и других странах Европы, показали, что некоторые вещества ведут себя как изоляторы. Французский ученый Шарль Дюфе установил, что существуют две разновидности электрических зарядов;

теперь мы называем их положительными и отрицательными.

В XVIII—XIX вв. природа электричества частично прояснилась после экспериментов Бенджамина Франклина и Майкла Фарадея. Выяснилось, что электрические заряды одного знака отталкиваются, а заряды противоположных знаков притягиваются, и в том и другом случае электрические силы ослабевают с расстоянием в соответствии с законом “обратных квадратов”, который Ньютон вывел ранее для гравитации. Но по величине электрические силы намного превосходят гравитационные. В отличие от слабого гравитационного взаимодействия, наличие которого Ка-вендишу удалось продемонстрировать только с помощью специального прибора, электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать.

Работы Фарадея навели на мысль, что электричество скрыто в атоме, но существование электрона было твердо установлено

К концу XVI в. европейские ученые начали постигать истинную природу магнетизма. Гильберт доказал, что Земля ведет себя как большой магнит, свойства которого весьма напоминают свойства построенной им модели — шара из магнитного железняка. Было установлено, что существуют две разновидности магнетизма, которые в соответствии с магнегизмом Земли получили название северного и южного полюсов. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Однако в отличие от электрических зарядов магнитные полюса встречаются не по отдельности, а только парами — северный полюс и южный полюс. В обычном магните, имеющем форму стержня (прямоугольного параллелепипеда), один конец действует как северный полюс, а другой — как южный. Если стержень разрезать пополам, то на месте разреза возникнут новые полюса, т. е. получатся два новых магнита, каждый из которых имеет и северный, и южный полюса. Все попытки получить таким способом изолированный магнитный полюс — монополь — заканчивались неудачей. Может быть, существование в природе изолированных магнитных полюсов исключено? Если это так, то почему? Как мы увидим в дальнейшем, исследование суперсилы дает ответы на эти интереснейшие вопросы.

Как электрическое и гравитационное взаимодействия, взаимодействие магнитных полюсов подчиняется закону обратных квадратов. Следовательно, электрическая и магнитная силы “дальне-действующие”, и их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Например, магнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство. Солнце также порождает магнитное поле, которое заполняет всю Солнечную систему. Существует даже галактическое магнитное поле.

В начале XIX в. выяснилось, что между электричеством и магнетизмом существует глубокая связь. Датский физик Ханс Кристиан Эрстед открыл, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, тогда как Майкл Фарадей показал, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. Эти открытия легли в основу динамомашияы и электрогенератора, играющих ныне столь важную роль в технике.

Как уже упоминалось в гл. 4, решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в 50-х годах XIX в. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма — первой единой теории поля. С соответствующими уточнениями для учета квантовых эффектов теория Максвелла с успехом продержалась вплоть до 1967 г., когда в объединении взаимодействий был сделан следующий крупный шаг.

Человечество познакомилось со слабым взаимодействием, так и не осознав этого события, еще в 1054 г., когда китайские астрономы отметили появление яркой голубой звезды в той области неба, где раньше не наблюдалось ничего. Соперничая в блеске даже с планетами, звезда ярко светила на протяжении нескольких недель, а затем стала медленно угасать. Современные астрономы считают вспышку 1054 г. взрывом сверхновой — гигантским по силе взрывом старой звезды, вызванным внезапным коллапсом ее ядра, который сопровождается кратковременным испусканием огромного количества нейтрино. Обладающие только слабым взаимодействием, эти нейтрино тем не менее разметали наружные слои звезды в космическом пространстве, образовав клочья облаков расширяющегося газа. Ныне сверхновая 1054 г. наблюдается в виде туманного светлого пятнышка в созвездии Тельца.

Сверхновые — один из немногих случаев зримого проявления слабого взаимодействия. Это взаимодействие действительно очень слабое, оно значительно уступает по величине всем взаимодействиям, кроме гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий.

К мысли о существовании слабого взаимодействия ученые продвигались медленно. Все началось в 1896 г., когда Анри Бекке-рель, исследуя загадочное почернение фотографической пластинки, оставшейся в ящике письменного стола радом с кристаллами сульфата урана, случайно открыл радиоактивность. Системаиическое исследование радиоактивного излучения было предпринято Эрнестом Резерфордом; он установил, что радиоактивные атомы испускают частицы двух различных типов, которые назвал альфа и бета. Тяжелые положительно заряженные альфа-частицы, как выяснилось, представляли собой быстро движущиеся ядра гелия. Бета-частицы оказались летящими с большой скоростью электронами.

Однако загадочность оставалась. Электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но физики располагали неопровержимыми доказательствами, что внутри ядер таких частиц нет. Откуда же они возникали? Ферми высказал предположение, что электроны и нейтрино до своего вылета не существуют в ядре в “готовом виде”, а каким-то образом мгновенно образуются из энергии, запасенной радиоактивным ядром. К тому времени было показано, что с точки зрения квантовой теории испускание и поглощение света можно интерпретировать как рождение и уничтожение фотонов; гипотеза Ферми означала, что подобное может происходить с электронами и нейтрино.

С открытием нестабильных субъядерных частиц физики обнаружили, что слабое взаимодействие вызывает множество других превращений. Большинство известных частиц участвуют в слабом взаимодействии. Для неуловимого нейтрино слабое взаимодействие (не считая гравитации)—единственный способ проявить себя.

Первые попытки объяснить природу сильного взаимодействия не принесли особого успеха. Ни одно из простых математических описаний процесса не было вполне удовлетворительным. Сильное взаимодействие, по-видимому, довольно сложным образом зависит от расстояния, и тем, кто старался моделировать его свойства, приходилось вводить в расчеты много произвольных параметров. Создавалось впечатление, что сильное взаимодействие представляет собой сплав взаимодействий с самыми различными свойствами.

А пока физики-ядерщики пытались преодолеть эти трудности, в начале 60-х годов была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из трех кварков. Чтобы это “трио” кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий “клей”; оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон “прилипает” к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая — на скрепление двух трио кварков друг с другом.

Как только природу сильного взаимодействия удалось объяснить на основе взаимодействия кварков, стало легче моделировать его математически. В дальнейшем мы увидим, как подобное описание выявило аналогии между сильным и другими взаимодействиями, указав тем самым на существование объединяющей все взаимодействия суперсилы.

Часто говорят, что существуют два вида наук — большие науки и малые. Расщепление атома — большая наука. Она располагает гигантскими экспериментальными установками, колоссальными бюджетами и получает львиную долю Нобелевских премий.

цикла ускорения она обладала бы энергией, достаточной для производства электроэнергии на сумму 1000 млн. долл.! Неудивительно, что подобные эксперименты принято относить к физике “высоких энергий”. Двигаясь внутри кольца навстречу друг другу, пучки электронов и позитронов испытывают лобовые столкновения, при которых электроны и позитроны аннигилируют, высвобождая энергию, достаточную для рождения десятков других частиц.

Что это за частицы? Некоторые из них — те самые “кирпичики”, из которых построены мы с вами: протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, и обращающиеся вокруг ядер электроны. Другие частицы обычно в окружающем нас веществе не встречаются: их век чрезвычайно короток, и по истечении его они распадаются на обычные частицы. Число разновидностей таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно: их известно уже несколько сотен. Подобно звездам, нестабильные частицы слишком многочисленны, чтобы их различать “по именам”. Многие из них обозначены только греческими буквами, а некоторые — просто числами.

Важно иметь в виду, что все эти многочисленные и разнообразные нестабильные частицы отнюдь не являются в прямом смысле составными частями протонов, нейтронов или электронов. Сталкиваясь, электроны и позитроны высоких энергий вовсе не разлетаются на множество субатомных осколков. Даже при столкновениях протонов высоких энергий, заведомо состоящих из других объектов (кварков), они, как правило, не расщепляются на составные части в обычном смысле. То, что происходит при таких столкновениях, лучше рассматривать как непосредственное рождение новых частиц из энергии столкновения.

Лет двадцать назад физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью и разнообразием новых субатомных частиц, которым, казалось, не будет конца. Невозможно было понять, для чего столько частиц. Может быть, элементарные частицы подобны обитателям зоопарка с их неявно выраженной принадлежностью к семействам, но без какой-либо четкой систематики. Или, возможно, как полагали некоторые оптимисты, элементарные частицы таят в себе ключ к Вселенной? Что такое наблюдаемые физиками частицы: малозначительные и случайные осколки материи или возникающие на наших глазах очертания смутно ощущаемого порядка, указывающего на существование богатой и сложной структуры субъядерного мира? Ныне в существовании такой структуры нет никаких сомнений. Микромиру присущ глубокий и рациональный порядок, и мы начинаем понимать, каково значение всех этих частиц.

Первый шаг к пониманию микромира был сделан в результате систематизации всех известных частиц, подобно тому как в XVIII в. биологи составляли подробнейшие каталоги видов растений и животных. К числу наиболее важных характеристик субатомных частиц относятся масса, электрический заряд и спин.

Электрический заряд частиц меняется в довольно узком диапазоне, но, как мы отмечали, всегда кратен фундаментальной единице заряда. Некоторые частицы, например фотон и нейтрино, не имеют электрического заряда. Если заряд положительно заряженного протона принять за +1, то заряд электрона равен -1.

ющихся на ускорителях, движутся именно с такими скоростями), успевает пролететь за микросекунду расстояние в 300 м.

Нестабильные частицы претерпевают распад, представляющий собой квантовый процесс, и поэтому в распаде всегда есть элемент непредсказуемости. Продолжительность жизни конкретной частицы невозможно предсказать заранее. На основе статистических соображений можно предсказать лишь среднее время жизни. Обычно говорят о периоде полураспада частицы — времени, за которое популяция тождественных частиц сокращается наполовину. Эксперимент показывает, что уменьшение численности популяции происходит по экспоненте (см. е. 63) и период полураспада составляет 0,693 от среднего времени жизни.

Физикам недостаточно знать, что та или иная частица существует — они стремятся понять, какова ее роль. Ответ на этот вопрос зависит от перечисленных выше свойств частиц, а также от характера сил, действующих на частицу извне и внутри ее. В первую очередь свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами, что означает “легкие”. Познакомимся кратко с каждым из этих семейств.

Другой хорошо известный лептон, но уже без заряда, — это нейтрино. Как уже говорилось в гл. 2, нейтрино неуловимы, словно призраки. Так как нейтрино не участвуют ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они почти полностью игнорируют вещество, проникая через него, как будто его вообще нет. Высокая проникающая способность нейтрино долгое время весьма затрудняла экспериментальное подтверждение их существования. Лишь почти через три десятилетия после предсказания нейтрино они были, наконец, обнаружены в лаборатории. Физикам пришлось ждать создания ядерных реакторов, при работе которых испускается огромное количество нейтрино, и только тогда удалось зарегистрировать лобовое столкновение одной частицы с ядром и тем самым доказать, что она действительно существует. Сегодня удаётся осуществить значительно больше экспериментов с пучками нейтрино, которые возникают при распаде частиц на ускорителе и обладают нужными характеристиками. Подавляющее большинство нейтрино “игнорирует” мишень, но время от времени нейтрино все же взаимодействуют с мишенью, что позволяет получить полезную информацию о структуре других частиц и природе слабого взаимодействия. Разумеется, проведение экспериментов с нейтрино в отличие от экспериментов с другими субатомными частицами не требует использования специальной защиты. Проникающая способность нейтрино столь велика, что они полностью безвредны и проходят сквозь человеческое тело, не причиняя ему ни малейшего вреда.

Несмотря на их неосязаемость, нейтрино занимают особое положение среди других известных частиц, поскольку являются наиболее распространенными частицами по Вселенной, превосходя по численности электроны и протоны в миллиард раз. Вселенная по существу представляет собой море нейтрино, в котором изредка встречаются вкрапления в виде атомов. Вгюлне возможно даже, что общая масса нейтрино превышает суммарную массу звезд, и поэтому именно нейтрино вносят основной вклад в космическую гравитацию. Согласно данным группы советских исследователей, нейтрино обладает крохотной, но не нулевой массой покоя (менее одной десятитысячной массы электрона); если это действительно так, то гравитационно нейтрино преобладают во Вселенной, что в будущем может вызвать ее коллапс. Так, нейтрино, на первый взгляд наиболее “безобидные” и бестелесные частицы, способны вызвать крушение всей Вселенной.

Среди прочих лептонов следует назвать мюон, открытый в 1936 г. в продуктах взаимодействия космических лучей; он оказался одной из первых известных нестабильных субатомных частиц. Во всех отношениях, кроме стабильности, мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. Мюоны широко распространены в природе, на их долю приходится значительная часть фонового космического излучения, которое регистрируется на поверхности Земли счетчиком Гейгера.

Долгие годы электрон и мюон оставались единственными известными заряженными лептонами. Затем в конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название “тау-лептон”. При массе около 3500 масс электрона тау-лептон заведомо является “тяжеловесом” в трио заряженных лептонов, но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.

Этим список известных лептонов отнюдь не исчерпывается. В 60-х годах было установлено, что существует несколько типов нейтрино. Нейтрино одного типа рождается вместе с электроном при распаде нейтрона, а нейтрино другого типа — при рождении мюона. Нейтрино каждого типа существует в паре со своим соб-

ственным заряженным лептоном; следовательно, есть “электронное нейтрино” и “мюонное нейтрино”. По всей вероятности, должно существовать и нейтрино третьего типа — сопровождающее рождение тау-лептона. В таком случае общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов — шести (табл. 1). Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно двенадцати.

В 50-х годах физиков крайне озадачили численность и разнообразие адронов. Но мало-помалу частицы удалось классифицировать по трем важным характеристикам: массе, заряду и спину. Постепенно стали появляться признаки порядка и выстраиваться четкая картина. Появились намеки на то, что за кажущимся хаосом данных скрываются симметрии. Решающий шаг в раскрытии тайны адронов был сделан в 1963 г., когда Марри Гелл- Манн и Джордж Цвейг из Калифорнийского технологического института предложили теорию кварков.

Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц, называемых кварками. Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов:

либо тройками, либо парами кварк—антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы — барионы, что означает “тяжелые частицы”. Наиболее известны из барионов нейтрон и протон. Более легкие пары кварк—антикварк образуют частицы, получившие название мезоны — “промежуточные частицы”. Выбор такого наименования объясняется тем, что первые обнаруженные мезоны занимали по массе промежуточное положение между электронами и протонами. Чтобы учесть все известные тогда адроны, Гелл-Манн и Цвейг ввели три различных типа (“аромата”) кварков, получивших довольно причудливые названия:

и- и d-кварков.

Внутри адронов кварки могут находиться в возбужденных состояниях, во многом сходных с возбужденными состояниями

атома, но со значительно большими энергиями. Избыток энергии, заключенный в возбужденном адроне, настолько увеличивает его массу, что до создания теории кварков физики ошибочно принимали возбужденные адроны за совершенно иные частицы. Ныне установлено, что многие из казавшихся различными адронов в действительности представляют собой лишь возбужденные состояния одного и того же фундаментального набора кварков.

Как уже говорилось в гл. 5, кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием. Но они участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять аромат кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.

Существование s-кварков необходимо для построения так называемых “странных” частиц — тяжелых адронов, открытых в начале 50-х годов. Необычное поведение этих частиц, подсказавшее их название, состояло в том, что они не могли распадаться за счет сильного взаимодействия, хотя как сами, так и продукты их распада представляли собой адроны. Физики ломали голову над тем, почему, если и материнские, и дочерние частицы принадлежат к семейству адронов, сильное взаимодействие не вызывает их распада. По какой-то причине эти адроны “предпочитали” гораздо менее интенсивное слабое взаимодействие. Почему? Теория кварков естественным образом решила эту загадку. Сильное взаимодействие не может изменять аромат кварков — на это способно только слабое взаимодействие. А без изменения аромата, сопровождающегося превращением s-кварка в и- или d-кварк, распад невозможен.

В табл. 2 представлены различные возможные комбинации кварков с тремя ароматами и указаны их названия (обычно просто греческая буква). Многочисленные возбужденные состояния не приведены. То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, символизировало главный триумф теории кварков. Но несмотря на этот успех, лишь через несколько лет удалось получить прямые физические доказательства существования кварков.

Эти доказательства были получены в 1969 г. в серии исторических экспериментов, проведенных на большом линейном ускорителе в Станфорде (Калифорния, США) — СЛАКе. Станфордские экспериментаторы рассуждали просто. Если в протоне действительно существуют кварки, то можно наблюдать столкновения с этими частицами внутри протона. Необходим лишь субъядерный “снаряд”, который можно было бы направить прямо в недра протона. Использовать-для этой цели другой адрон бесполезно,

Таблица 2

так как он имеет такие же размеры, как и протон. Идеальным снарядом мог бы стать лептон, например электрон. Так как электрон не участвует в сильном взаимодействии, он не “увязнет” в среде, которую образуют кварки. Вместе с тем электрон может почувствовать присутствие кварков благодаря наличию у них электрического заряда.

Об относительных массах кварков можно судить хотя бы по тому, что легчайший из мезонов, пион, состоит из пар и- и d-кварков с антикварками. Пси-мезон примерно в 27 раз, а ипсилон-мезон не менее чем в 75 раз тяжелее пиона.

Постепенное расширение списка известных ароматов происходило параллельно увеличению числа лептонов; поэтому возник очевидный вопрос, будет ли когда-нибудь конец. Кварки были введены для того, чтобы упростить описание всего многообразия адропов, но и сейчас есть ощущение, что список частиц снова растет слишком быстро.

Хотя по указанной причине и существует некоторая неудовлетворенность кварковой схемой, большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами — точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают пептоны, и уже давно предполагается, что между этими двумя различными, но сходными по своей структуре семействами должна существовать глубокая взаимосвязь. Основания для подобной точки зрения возникают из сравнения свойств лептонов и кварков (табл. 3). Легпоны можно сгруппировать попарно, сопоставив каждому заряженному лептону соответствующее нейтрино. Кварки также можно сгруппировать попарно. Табл. 3 составлена таким образом, что по структуре каждая клетка повторяет расположенную непосредственно перед ней. Например, во второй клетке мюон представлен как “тяжелый электрон”, а очарованный и странный кварки — как тяжелые варианты и- и d-кварков. Из следующей клетки видно, что тау-лептон является еще более тяжелым “электроном”, а b-кварк — тяжеловесной разновидностью d-кварка. Для полной аналогии необходимы еще одно (тау-лептониое) нейтрино и.шестой аромат

Могут ли существовать четвертая, пятая и т. д. пары, содержащие еще более тяжелые частицы? Если да, то следующее поколение ускорителей, вероятно, даст физикам возможность обнаружить такие частицы. Однако высказывается любопытное соображение, из которого следует, что иных пар, кроме трех названных, не существует. Это соображение основано на числе типов нейтрино. Мы вскоре узнаем, что в момент Большого взрыва, ознаменовавшего возникновение Вселенной, происходило интенсивное рождение нейтрино. Своеобразная демократия гарантирует каждому виду частиц одинаковую с остальными долю энергии; поэтому, чем больше различных типов нейтрино, тем больше энергии содержится в море нейтрино, заполняющем космическое пространство. Вычисления показывают, что если существует более трех разновидностей нейтрино, то гравитация, создаваемая всеми ими, оказывала бы сильное возмущающее действие на ядерные процессы, протекавшие в первые несколько минут жизни Вселенной. Следовательно, из этих косвенных соображений следует весьма правдоподобный вывод о том, что тремя парами, показанными в табл. 3, исчерпываются все кварки и лептоны, которые существуют в природе.

Возможно, более тяжелые кварки и лептоны играют роль своего рода дублеров легчайших кварков и лептонов. Все они нестабильны и быстро распадаются на частицы, расположенные в верхней клетке. Например, тау-лептон и мюон распадаются на электроны, в то время как странные, очарованные и красивые частицы довольно быстро распадаются либо на нейтроны или протоны (в случае барионов), либо на лептоны (в случае мезонов). Возникает вопрос: для чего существуют все эти частицы второго и третьего поколений? Зачем они понадобились природе?

Частицы — переносчики взаимодействий

Шестью парами лептонов и кварков, образующих строительный материал вещества, отнюдь не исчерпывается перечень известных частиц. Некоторые из них, например фотон, не включены в кварковую схему. Частицы, “оставшиеся за бортом”, не являются “кирпичиками мироздания”, а образуют своего рода “клей”, не позволяющий миру распадаться на части, т. е. они связаны с четырьмя фундаментальными взаимодействиями.

Со временем выяснилось, что представление о силе, передаваемой через пространство в форме сигнала, не так уж далеко от современного подхода к этой проблеме. Чтобы понять, каким образом возникает такое представление, следует рассмотреть более подробно природу силового поля. В качестве примера выберем не океанские приливы, а более простое явление: два электрона сближаются, а затем под действием электростатического отталкивания разлегаются в разные стороны. Физики называют этот процесс проблемой рассеяния. Разумеется, электроны не толкают друг друга буквально. Они взаимодействуют на расстоянии, через электромагнитное поле, порождаемое каждым электроном.

Диаграммы такого рода впервые применил Ричард Фейнман для наглядного представления различных членов уравнения, и первоначально они имели чисто символическое значение. Но затем диаграммы Фейнмана стали использовать для схематического изображения взаимодействий частиц. Такие картинки как бы дополняют интуицию физика, однако их следует толковать^ известной долей осторожности. Например, в траектории электрона никогда не наблюдается резкого излома. Поскольку нам известны только начальное и конечное положения электронов, мы не знаем точно момента, когда происходит обмен фотоном, и какая из частиц испускает, а какая поглощает фотон. Все эти детали скрыты пеленой квантовой неопределенности.

Несмотря на это предостережение, диаграммы Фейнмана оказались эффективным средством квантового описания взаимодействия. Фотон, которым обмениваются электроны, можно рассматривать как своего рода посыльного одного из электронов, сообщающего другому: “Я здесь, так что пошевеливайся!”. Разумеется, все квантовые процессы носят вероятностный характер, поэтому подобный обмен происходит лишь с определенной вероятностью. Может случиться, что электроны обменяются двумя и более фотонами (рис. 13), хотя это менее вероятно.

Важно отдавать себе отчет в том, что в действительности мы не видим фотонов, снующих от одного электрона к другому. Переносчики взаимодействия — “внутреннее дело” двух электронов. Они существуют исключительно для того, чтобы сообщать электронам, как двигаться, и, хотя они переносят энергию и импульс, соответствующие законы сохранения классической фи

зики на них не распространяются. Фотоны в этом случае можно уподобить мячу, которым обмениваются на корте теннисисты. Подобно тому как теннисный мяч определяет поведение теннисистов на игровой площадке, фотон влияет на поведение электронов.

Успешное описание взаимодействия с помощью частицы-переносчика сопровождалось расширением понятия фотона: фотон оказывается не только частицей видимого нами света, но и призрачной частицей, которую “видят” только заряженные частицы, претерпевающие рассеяние. Иногда наблюдаемые нами фотоны называют реальными, а фотоны, переносящие взаимодействие, — виртуальными, что напоминает об их скоротечном, почти призрачном существовании. Различие между реальными и виртуальными фотонами несколько условно, но тем не менее эти понятия получили широкое распространение.

Описание электромагнитного взаимодействия с использованием понятия виртуальных фотонов — его переносчиков — по своему значению выходит за рамки просто иллюстраций квантового характера. В действительности речь .идет о продуманной до мельчайших деталей и оснащенной совершенным математическим аппаратом теории, известной под названием квантовой электродинамики, сокращенно КЭД. Когда КЭД была впервые сформулирована (это произошло вскоре после второй мировой войны), физики получили в свое распоряжение теорию, удовлетворяющую основным принципам как квантовой теории, так и теории относительности. Это прекрасный случай увидеть совместные проявления двух важных аспектов новой физики и. проверить их экспериментально.

Теоретически создание КЭД явилось выдающимся достижением. Более ранние исследования взаимодействия фотонов и электронов имели весьма ограниченный успех из-за математиче ских трудностей. Но коль скоро теоретики научились правильно проводить вычисления, все остальное становилось на место. КЭД предложила процедуру получения результатов любого сколь угодно сложного процесса с участием фотонов и электронов.

Чтобы проверить, насколько хорошо теория согласуется с реальностью, физики сосредоточили внимание на двух эффектах, представлявших особый интерес. Первый касался энергетических уровней атома водорода — простейшего атома. КЭД предсказывала, что уровни должны быть слегка смещены относи гельно положения, которое они занимали бы, если бы не существовало виртуальных фотонов. Теория очень точно предсказывала величину этого смещения. Эксперимент по обнаружению и измерению смещения с предельной точностью осуществил Уиллис Лэмб из Университета шт. Аризона. Ко всеобщему восторгу результаты вычислений прекрасно совпадали с экспериментальными данными.

Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки к собственному магнитному моменту электрона. И снова результаты теоретических расчетов и эксперимента полностью совпали. Теоретики принялись уточнять вычисления, экспериментаторы — усовершенствовать приборы. Но, хотя точность как теоретических предсказаний, так и экспериментальных результатов непрерывно повышалась, соответствие между КЭД и экспериментом оставалось безукоризненным. Ныне теоретические и экспериментальные результаты по-прежнему согласуются в пределах достигнутой точности, что означает совпадение более девяти знаков после запятой. Столь поразительное соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из существующих естественнонаучных теорий.

Нужно ли говорить, что после подобного триумфа КЭД была принята как модель для квантового описания трех других фундаментальных взаимодействий. Разумеется, полям, связанным с другими взаимодействиями, должны соответствовать иные частицы-переносчики. Для описания гравитации был введен грави-тон, играющий такую же роль, как фотон. При гравитационном взаимодействии двух частиц между ними происходит обмен грави-тонами. Это взаимодействие можно представить наглядно с помощью диаграмм, напоминающих те, что показаны на рис. 12 и 13. Именно гравитоны переносят сигналы от Луны океанам, следуя которым те поднимаются во время приливов и опускаются при отливах. Гравитоны, снующие между Землей и Солнцем, удерживают нашу планету на орбите. Гравитоны накрепко приковывают нас к Земле.

Подобно фотонам, гравитоны движутся со скоростью света;

следовательно, гравитоны — это частицы с “нулевой массой покоя”. Но на этом сходство между гравитонами и фотонами кончается. В то время как фотон имеет спин 1, спин гравитона ра вен 2.

Это важное различие, поскольку оно определяет направление силы: при электромагнитном взаимодействии одноименно заряженные частицы, например электроны, отталкиваются, а при гравитационном — все частицы притягиваются друг к другу.

Гравитоны могут быть реальными и виртуальными. Реальный гравитон — это не что иное, как квант гравитационной волны, подобно тому как реальный фотон — квант электромагнитной волны. В принципе реальные гравитоны можно “наблюдать”. Но поскольку гравитационное взаимодействие невероятно слабое, гравитоны не удается детектировать непосредственно. Взаимодействие гравитонов с другими квантовыми частицами настолько слабое, что вероятность рассеяния или поглощения гравитона, например, протоном бесконечно мала.

Основная идея обмена частицами-переносчиками распространяется и на остальные взаимодействия (табл. 4) — слабое и сильное. Однако в деталях имеются важные различия. Напомним, что сильное взаимодействие обеспечивает связь между кварками. Такую связь может создать силовое поле, сходное с электромагнитным, но более сложное. Электрические силы приводят к образованию связанного состояния двух частиц с зарядами противоположных знаков. В случае кварков возникают связанные состояния трех частиц, что свидетельствует о более сложном характере силового поля, которому соответствуют три разновидности “заряда”. Частицы — переносчики взаимодействия между кварками, связывающие их попарно или тройками, называют глюонами.

Классификация частиц на кварки, лептоны и переносчики взаимодействий завершает перечень известных субатомных частиц. Каждая из названных частиц играет свою, но решающую роль в формировании Вселенной. Не будь частиц-переносчиков, не существовало бы и взаимодействий, и каждая частица осталась бы в неведении относительно своих партнеров. Не могли бы возникнуть сложные системы, любая деятельность была бы невозможна. Без кварков не было бы ни атомных ядер, ни солнечного света. Без лептонов не могли бы существовать атомы, не возникли бы химические структуры и сама жизнь.

Каковы задачи физики элементарных частиц?

У Киуорта не вызывало сомнений, что для процветания США вообще и американской экономики в частности необходимо, чтобы страна занимала передовые рубежи в научных исследованиях. Основные проекты фундаментальных исследований, заявил Киуорт, находятся на острие прогресса. Соединенные Штаты должны вернуть свое превосходство в области физики элементарных частиц,

На той же неделе по информационным каналам понеслись сообщения об американском проекте гигантского ускорителя, предназначенного для проведения нового поколения экспериментов по физике элементарных частиц. Основные затраты предусматривались в размере 2 млрд. долл., что делало этот ускоритель самой дорогой машиной из когда-либо построенных человеком. Этот гигант дядюшки Сэма, по сравнению с которым даже новый ускоритель ЦЕРНа ЛЭП покажется карликом, настолько велик, что внутри его кольца могло бы целиком разместиться государство Люксембург! Гигантские сверхпроводящие магниты предназначены для создания интенсивных магнитных полей, которые будут заворачивать пучок частиц, направляя его вдоль кольцевидной камеры; она представляет собой настолько огромное сооружение, что новый ускоритель предполагается разместить в пустыне. Хотелось бы знать, что думает по этому поводу редактор газеты “Гардиан”.

Что за крайняя нужда заставляет государства расходовать столь огромные ресурсы на все более разрушительное расщепление атома? Есть ли какая-нибудь практическая польза в таких исследованиях?

Любой большой науке, безусловно, не чужд дух борьбы за национальный приоритет. Здесь так же, как в искусстве или спорте, приятно завоевывать призы и мировое признание. Физика элементарных частиц стала своего рода символом государственной мощи. Если она развивается успешно и дает ощутимые результаты, то это свидетельствует о том, что наука, техника, равно как и экономика страны в целом, находятся в основном на должном уровне. Это поддерживает уверенность в высоком качестве продукции других отраслей технологии более общего назначения. Для создания ускорителя и всего сопутствующего оборудования требуется очень высокий уровень профессионализма. Накопленный при разработке новых технологий ценный опыт может оказать неожиданное и благотворное влияние на другие направления научных исследований. Например, научно-исследовательские разработки по сверхпроводящим магнитам, необходимым для “дезер-трона”, проводятся в США на протяжении двадцати лет. Тем не менее они не приносят прямой выгоды и поэтому их трудно оценить. А нет ли каких-нибудь более ощутимых результатов?

В поддержку фундаментальных исследований иногда приходится слышать и другой аргумент. Физика, как правило, опережает технологию примерно на пятьдесят лет. Практическое применение того или иного научного открытия поначалу отнюдь не очевидно, однако лишь немногие из значительных достижений фундаментальной физики не нашли со временем практических приложений. Вспомним теорию электромагнетизма Максвелла:

мог ли ее создатель предвидеть создание и успехи современных телекоммуникации и электроники? А слова Резерфорда о том, что ядерная энергия вряд ли когда-нибудь найдет практическое применение? Можно ли предсказать, к чему способно привести развитие физики элементарных частиц, какие удастся обнаружить новые силы и новые принципы, которые расширят наше понимание окружающего мира и дадут нам власть над более широким кругом физических явлений. А это может привести к развитию не менее революционных по своему характеру технологий, чем радио или ядерная энергетика.

Большинство разделов науки в конечном итоге находили и определенное военное применение. В этом отношении физика элементарных частиц (в отличие от ядерной физики) пока оставалась неприкосновенной. По случайному стечению обстоятельств лекция Киуорта совпала с рекламной шумихой вокруг предложенного президентом Рейганом спорного проекта создания противоракетного, так называемого пучкового, оружия (данный проект является частью программы, получившей название “Стратегическая оборонная инициатива”, СОИ). Суть этого проекта в использовании против ракет противника пучков частиц высокой энергии. Такое применение физики элементарных частиц выглядит поистине зловещим.

Преобладает мнение, что создание подобных устройств неосуществимо. Большинство ученых, работающих в обласги физики элементарных частиц, считают эти идеи абсурдными и противоестественными, резко высказываются против'предложения прези

дента. Осудив ученых, Киуорт призвал их “поразмыслить над тем, какую роль они могут сыграть” в реализации проекта пучкового оружия. Это обращение Киуорта к физикам (конечно, чисто случайно) последовало за его словами относительно финансирования физики высоких энергий.

По моему твердому убеждению, физикам, работающим в области высоких энергий, нет нужды оправдывать необходимость фундаментальных исследований ссылками на приложения (особенно военные), исторические аналоги или смутные обещания возможных технических чудес. Физики проводят эти исследования прежде всего во имя своего неистребимого желания узнать, как устроен наш мир, стремления более детально понять природу. Физика элементарных частиц не имеет себе равных среди других видов человеческой деятельности. На протяжении двух с половиной тысячелетий человечество стремилось найти изначальные “кирпичики” мироздания, и теперь мы близки к конечной цели. Гигантские установки помогут нам проникнуть в самое сердце материи и вырвать у природы ее сокровеннейшие тайны. Человечество могут ожидать неожиданные приложения новых открытий, неведомые ранее технологии, но может оказаться, что физика высоких энергий ничего не даст для практики. Но ведь и от величественного собора или концертного зала немного практической пользы. В этой связи нельзя не вспомнить слова Фарадея, заметившего как-то: “Что толку от новорожденного?”. Далекие от практики виды человеческой деятельности, к коим относится и физика элементарных частиц, служат свидетельством проявления человеческого духа, без которого мы были бы обречены в нашем излишне материальном и прагматичном мире.

Посещение физической лаборатории при большом ускорителе всегда оставляет неизгладимое впечатление. Сотни ученых, инженеров обслуживающего персонала, концентрация талантов, обеспечивающих бесперебойную работу небольшого числа гигантских машин чудовищной мощи и сложности; дерзновенность замысла и его свершения, ощущение прикосновения к неизвест-ному—все это создает в наиболее чистом виде представление о науке.

Самой большой из машин ЦЕРНа в то время был протон-антипротонный ускоритель на встречных пучках, коллайдер, — кольцеобразная камера длиной в несколько километров, внутри которой циркулировали навстречу друг другу протоны и антипротоны. Пучки частиц, ускоренных до нужной энергии, направляли так, чтобы произошло лобовое столкновение. Происходила аннигиляция протонов и антипротонов, а из освобождавшейся

при этом энергии рождались потоки новых частиц, разлетающихся во все стороны от точки столкновения Для обнаружения следов частиц обычно используются специальные электронные устройства, которые срабатывают при прохождении через них электрически заряженных тел. С помощью системы таких устройств экспериментатору удается восстанавливать трехмерную картину столкновения. Протоны и антипротоны поступают в ускоритель из периферийных устройств, одно из которых предназначено для получения антипротонов и хранения их в магнитном накопительном кольце перед инжекцией в коллайдер. Возглавлял работу итальянский физик Карло Руббиа. Осенью 1982 г. Руббиа был героем дня.

Всякий раз, когда ученым удается установить новые связи, расширяется понимание окружающего мира и возрастает наша власть над ним. Новые связи не просто объединяли наши познания — они указывали путь к ранее не известным явлениям. Связи — это одновременно и синтез знания, и стимул, направляющий научные исследования по новым, непроторенным дорогам.

Фундаментальная физика всегда прокладывала путь к единству знания. Но все происходившее в физике с начала 70-х годов не сравнимо ни с чем. По-видимому, мы стоим на пороге более могущественного и глубокого объединения, чем когда-либо ранее. Среди физиков растет убеждение, что начинают вырисовываться контуры не более и не менее как единой теории всего сущего.

Подобные теории отнюдь не новость. Большинство религий претендуют на описание естественного и потустороннего миров в их космическом единстве. Но религиозные космологии уходят корнями в древнюю мудрость, божественное откровение и теологические хитросплетения. Среди них нет и двух одинаковых.

Научные теории такого сорта редки, хотя и встречаются. Английский астроном Артур Эддингтон, например, пытался построить всеобъемлющее описание материи, силы и возникновения Вселенной в книге “Фундаментальная теория”, опубликованной в 1946 г. Но претенциозные идеи Эддингтона были во многом лишь мечтой одинокого и, возможно, несколько эксцентричного ученого. Ныне же впервые научный эксперимент и теория достигли такого уровня, когда стало реальным создание полной теории Вселенной, которая опирается на общепринятые и допускающие проверку гипотезы.

Главный толчок столь существенному продвижению был дан исследованиями фундаментальных взаимодействий в природе. В гл. 5 мы рассказали, что физики различают четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Еще в середине прошлого столетия Максвелл создал единую электромагнитную теорию, охватившую как электрические, так и магнитные явления. Затем в 20-х годах нашего века Эйнштейн предпринимал систематические попытки объединить электромагнетизм с его теорией гравитации (общей теорией относительности).

Но вскоре его увлекли другие события. Были открыты ядерные силы — сильное и слабое взаимодействия, и при любой попытке объединить силы природы приходилось считаться уже не с двумя, а с четырьмя фундаментальными взаимодействиями. Однако увлеченность идеей единого описания не прошла. Почему должно быть четыре различных фундаментальных взаимодействия? Перспектива описания всего происходящего в природе на основе одной-единственной суперсилы оставалась привлекательной, но неопределенно далекой мечтой. Ныне осуществление этой мечты — дело отнюдь не отдаленного будущего. Вскоре она вполне может стать реальностью.

Решающий шаг на пути к единой теории был сделан в конце 60-х годов. К тому времени теоретики добились невиданных успехов в применении квантовой теории к полям. Представление о поле возникло столетием раньше, успгв доказать свою полез

ность в широком диапазоне практических приложений, в частности в радиотехнике. Соединение квантовой механики с электромагнитным полем привело непосредственно к квантовой электродинамике (КЭД), обладающей легендарными точностью и пред-сказательной силой.

Что касается трех остальных взаимодействий, то тут, к сожалению, нельзя было похвастаться аналогичными достижениями. Квантовая теория гравитации, в которой переносчиками гравитационного взаимодействия служат гравитоны, завязла в математических трудностях. Природа слабого взаимодействия по-прежнему оставалась во многом непонятной. По поводу существования Z-частиц не было единого мнения, а описание с помощью обмена только W-частицами давало разумные результаты лишь в случае простейших процессов при низких энергиях. Еще менее понятной казалась природа сильного взаимодействия. К тому времени стало ясно, что все адроны, в частности протоны и нейтроны, вовсе не элементарные частицы, хотя теория кварков еще не имела прочного фундамента. Взаимодействие адронов выглядело очень сложным, но никто не знал, как моделировать внутреннюю структуру адронов, чтобы получить более простое описание.

Пустое пространство кажется не очень перспективным объектом для исследования, однако именно в нем скрыт ключ к полному пониманию существующих в природе взаимодействий. Вакуум довольно легко представить наглядно. Это область пространства, из которой удалено решительно все — частицы, поля, волны. Достичь абсолютного вакуума практически невозможно. Даже в космическом пространстве всегда присутствует остаток газа или плазмы, а также реликтовое фоновое излучение, оставшееся от Большого взрыва. Однако ничто не мешает нам рассматривать идеализированный вакуум.

Когда физики приступили к разработке квантовой теории поля, оказалось, что вакуум совсем не такой, каким его долгое время представляли, — это не пустое безжизненное пространство, лишенное вещества. Оказалось, что квантовая физика способна на “трюки” даже в отсутствие квантовых частиц.

То, что казалось пустым пространством, в действительности кишит виртуальными частицами. Вакуум не безжизнен и безлик, а полон энергии. “Реальную” частицу, например электрон, всегда необходимо рассматривать на фоне этой непрерывной активности. Перемещаясь в пространстве, электрон в действительности оказывается в окружности частиц-призраков — виртуальных лепто-нов, кварков и переносчиков взаимодействий, — плутая в этой неразберихе. Своим присутствием он вносит возмущение в непрерывную активность вакуума, которая в свою очередь оказывает воздействие на электрон. Даже в состоянии покоя электрон не знает покоя: со всех сторон его непрерывно штурмуют другие частицы, появившиеся из вакуума.

Если два электрона обмениваются фотоном, то это не что иное, как дополнительное возмущение в существовавшей ранее системе обменов. Описание взаимодействия частиц должно учитывать все эти дополнительные виртуальные кванты. В присутствии силовых полей полное состояние данной частицы включает процессы обмена двумя, тремя или большим числом частиц-посредников, которые взаимодействуют с частицами вакуума так, что исходная частица и частицы-посредники оказываются буквально облеплены виртуальными частицами. Происходит бесконечное количество взаимодействий, причем все в одно и то же мгновение.

На рис. 14 изображен сравнительно простой пример одного из процессов высокого порядка. Одна из частиц испускает виртуальный фотон, который затем порождает электрон-позитронную пару. Частицы этой пары в свою очередь обмениваются другим виртуальным фотоном, а затем аннигилируют, образую еще один виртуальный фотон, который поглощается второй частицей. Эта диаграмма может быть лишь частью еще более сложной диаграммы, в которой две исходные частицы существуют лишь в течение какого-то промежутка времени, после чего превращаются еще во что-нибудь.

Графическое изображение взаимодействия всех частиц имеет вид паутины со сложными переплетениями, отражающими многочисленные обмены между виртуальными частицами различных сортов. Силовое поле никогда не бывает статическим. В нем всегда присутствуют частицы-призраки, снующие туда-сюда, возникающие и исчезающие, вплетенные в трепещущую ткань энергии.

На первый взгляд кажется, что бесконечная сложность всего происходящего исключает всякую надежду на понимание характера взаимодействий между реальными частицами, не говоря уже о возможности вычислений. К счастью, это впечатление обманчиво. Оказывается — во всяком случае в КЭД, — что по мере усложнения процессов их влияние на реальные частицы ослабевает. В рассмотренном примере рассеяния электрона на электроне основной вклад обусловлен обменом одним фотоном. Остальные процессы приводят лишь к небольшим поправкам. Обычно при вычислениях, если не требуется необыкновенно высокая точность, редко приходится учитывать вклад более чем трех-четырех простейших диаграмм.

Разглядывая открывающуюся в микроскоп картину под все большим увеличением, мы обнаружим, что по мере приближения к электрону энергия, заключенная в облаке, быстро и неограниченно возрастает. Это обстоятельство настораживает, ибо указывает на серьезный кризис.

Иногда говорят, что в науке каждый кризис приводит к рождению новой теории. Кризис, выявленный с помощью магического микроскопа, служит симптомом серьезного недостатка концепции поля. Несмотря на впечатляющие успехи, квантовая теория поля оказывается несостоятельной в одном решающем пункте.

Трудность, о которой идет речь, берет начало в классической физике. Планета, например Земля, создает гравитационное поле, которое действует, скажем, на Луну. Но кроме того, гравитационное поле Земли оказывает воздействие и на саму Землю. Почва у нас над ногами сдавлена собственным гравитационным полем Земли. Такое “самодействне” является неизбежным следствием теории поля.

Некогда полагали, что частица, подобная электрону, представляет собой уменьшенную копию Земли — крохотный твердый шарик с равномерно распределенным в нем электрическим зарядом. Подобно тому как Земля воздействует на себя собственной гравитацией, электрон должен воздействовать на себя своим электрическим полем. Однако гравитационное и электрическое взаимодействия имеют одно важное отличие: гравитация создает притяжение, которое удерживает вместе все части Земли; электрические силы внутри электрона создают отталкивание, которое стремится “разорвать” электрон на части. В этой связи возникает проблема:

какие силы могли бы компенсировать электрическое отталкивание, обеспечив целостность электрона?

Чтобы избежать эту трудность, физики были вынуждены отказаться от представления об электроне как абсолютно твердом шарике. Электрон стали рассматривать как точку не имеющую структуры и размеров. Хотя подобная модель несколько смягчает остроту вопроса о том, что удерживает вместе отдельные части электрона, возникает новая трудность. Создаваемая заряженным телом электрическая сила меняется в зависимости от расстояния по закону обратных квадратов. С приближением к источнику поле возрастает. В случае точечного источника поле растет до бесконечности. Это означает, что полная электрическая энергия такой системы будет бесконечной.

Бесконечная величина энергии поля точечного электрона, казалось бы, наносит смертельный удар теории ноля: если бы электрон обладал бесконечной энергией, то он был бы бесконечно тяжелым, что абсурдно. Теоретики оказались перед выборам:

либо отказаться от представления о точечном электроне, либо найти выход из тупика. И выход действительно был найден, хотя некоторые сочли его чем-то вроде жульничества. Он известен ныне как “перенормировка”.

Представим себе, что мы как-то исхитрились “выключать” заряд электрона С исчезновением заряда исчезнет и создаваемое им поле, и соответствующая электрическая энергия. То, что при этом осталось, уместно назвать “голым” электроном, с которого сорвано окутывающее его электромагнитное поле. Какова же ыасса “голого” электрона? Наблюдаемая масса реального электрона состоит как бы из двух частей — массы “голого” электрона и массы, соответствующей энергии электрического поля. Трудность заключается в том, что масса, соответствующая энергии электрического поля, при вычислении оказывается бесконечной. Такой результат был бы бессмысленным, если бы мы действительно могли “выключить” электрический заряд электрона, поскольку ни одна физическая -величина не может получать бесконечно большое приращение. Но заряд электрона нельзя выключить. Наблюдая электрон, мы воспринимаем его в целом: и поле, и все остальное. Наблюдаемая масса, разумеется, конечна. Так стоит ли всерьез беспокоиться, если вычисления показывают, что неотделимая часть массы электрона обращается в бесконечность?

Некоторых это действительно беспокоит, но не слишком серьезно. Возникновение в уравнениях теории бесконечных членов — своего рода предупреждение о том, что не все в порядке, но если бесконечности не появляются в наблюдаемых величинах, то их можно просто игнорировать и продолжить вычисления. При этом необходимо изгнать бесконечности из формул, чтобы продолжить пользоваться ими. Для этого теоретик просто смещает, “перенормирует”, нулевую точку на шкале измерения масс, сдвигая ее на бесконечно большую величину. В какой-то степени это похоже на договоренность отсчитывать высоту полета самолета не от уровня моря, а от уровня земной поверхности, только в случае электрона такое смещение имеет бесконечную величину. При этом теоретик ссылается на то, что положение нуля несущественно, поскольку на шкале масс нет выделенного начала отсчета; любой сдвиг — даже на бесконечно большую величину — в нашей власти и ненаблюдаем в реальном, физическом мире.

Благодаря этому хитроумному приему из описания электрона удается исключить бесконечные члены, которые поначалу грозили низвести теорию до абсурда. Однако на этом неприятности, связанные с квантовым описанием точечного электрона, не кончились. Возникла проблема, связанная с природой виртуальных фотонов.

Как мы уже знаем, каждый электрон окружен облаком трепещущей энергии, которое содержит множество всевозможных виртуальных частиц. Рассмотрим подробнее, как возникает это облако. Первоначально виртуальные фотоны были введены, чтобы дать квантовое описание того, как один электрон сигнализирует другому, что собирается воздействовать на него. Однако изолированный электрон может воздействовать с помощью виртуальных фотонов и на самого себя. В классической теории подобное самодействие также существует и приводит к возникновению бесконечных членов в уравнениях, описывающих поведение точечного электрона. Квантовое описание самодействия, образно говоря, означает, что электрон посылает фотоны самому себе. Диаграмма, изображающая это самодействие, изображена на рис. 15; На ней показано, как испущенный электроном вир-

туальный фотон после непродолжительного путешествия в пространстве, возвращается назад и поглощается тем же электроном. Представление о подобном “круговороте” фотона может вызвать удивление. Но не следует забывать, что основанные на здравом смысле представления не имеют силы в квантовом мире, где крушение привычных устоев вполне обычно.

Таким образом, в квантовом описании электрона окружающее частицу электромагнитное поле следует рассматривать как облако виртуальных фотонов вокруг электрона, которое неотступно следует за ним, окружая его квантами энергии. Фотоны возникают и исчезают очень быстро. Фотоны, остающиеся вблизи электрона, в центре облака, имеют значительную энергию; при вычислении полной энергии фотонного облака она снова оказывается бесконечной.

Столкнувшись с такими результатами, теоретик может избавиться от бесконечно большой энергии, “перенормировав” ее, как это делалось в классической теории. Однако на этот раз все обстоит не так просто. Петля, изображенная на рис. 15, — лишь один из возможных процессов самодействия электрона. Возможны и более сложные петли самодействия, например изображенная на рис. 16. Здесь фотон создает “по дороге” виртуальную электрон-позитронную пару. Ясно, что по мере включения все более сложных петель неограниченно растет число способов, которыми электрон может воздействовать на самого себя, испуская виртуальные частицы. Каждая из таких петель вносит собственный бесконечный вклад в энергию системы. Вклад каждой мыслимой паутины таких петель оказывается бесконечным. И вместо одной-един-ственной бесконечности, как в классической теории, теперь мы сталкиваемся при вычислениях с нескончаемой последовательностью бесконечно больших членов. Можно попытаться изгнать бесконечности на каждом шаге, искусственно вычитая бесконечный член, но стоит расправиться с одной бесконечностью, как тотчас возникает другая. Положение кажется безвыходным.

Но от столь мрачной перспективы спасает своего рода чудо. Если эту устрашающую последовательность бесконечных членов надлежащим (с точки зрения математики) образом “упаковать”, то оказывается, что от всех бесконечностей можно избавиться сразу, одним махом. Единственное вычитание бесконечности, или перенормировка, позволяет устранить любую бесконечность, какой бы сложной петлей она ни создавалась. Разумеется, тридцать лет назад, когда это чудо возникло, доказать его эффективность стоило больших усилий. Не случись это, теория превратилась бы в бессмыслицу.

Естественно, теоретики были в восторге от достигнутого результата. Приятно сознавать, что метод действительно работает, что нет более ничего загадочного во взаимодействии электронов и фотонов. Физики назвали КЭД перенормируемой теорией и занялись проверкой слабых эффектов, обусловленных виртуальными частицами, которые получили столь убедительное экспериментальное подтверждение, например, в измеренном Лэмбом сдвиге уровней энергии атома водорода и малой поправке к собственному магнитному моменту электрона. Исключительное согласие теории с экспериментом на этом уровне описания показало, что виртуальные частицы и вакуумные эффекты — отнюдь не измышления теоретиков, не плод воображения. Они действительно необходимы, чтобы обеспечить точное описание атомного мира.

Вдохновленные этим замечательным успехом, теоретики обратились к другим типам взаимодействий с целью выяснить, не сработает ли и там перенормировка. Каждое силовое поле создает собственный набор бесконечных энергий (и других бесконечных величин). Физики надеялись, что чудесное исчезновение бесконечностей в КЭД повторится и в случае других взаимодействий.

К сожалению, их надежды не оправдались. Из четырех взаимо-деистиий, существующих в природе, только электромагнитное, по-видимому, обладало чудесным свойством перенормируемости. Частицы-переносчики других взаимодействий (как мы представляем сегодня их природу) порождают бесконечное множество рас-ходимостей, от которых не удается избавиться одним махом, как

в КЭД. Теоретики вернулись к доске, чтобы с мелом в руках попытаться понять, чем секрет успеха КЭД. Вскоре стало ясно, что он имеет отношение к симметрии.

Симметрия указывает путь

Историк и писатель Ч. П. Сноу написал книгу о “двух культурах”, которые существуют в современном технологическом обществе, — научной и художественной. Однако многие ученые обладают тонким художественным вкусом. Они великолепно разбираются в живописи и скульптуре, некоторые прекрасно играют на различных музыкальных инструментах, стремятся к глубокому пониманию стиля и красоты. Для ученых, особенно занимающихся теорией, сама наука может превратиться в вид искусства, тонкую смесь рационального и сверхъестественного.

В гл. 4 мы говорили о том, как эстетическое чутье влияет на развитие науки. Среди наиболее впечатляющих примеров роли эстетического начала — применение в фундаментальной физике симметрии в достаточно общем смысле. Действительно, в последние годы “симметрийная лихорадка” завладела умами в ряде областей физики. Теперь уже ни у кого не вызывает сомнения, что именно симметрия служит ключом к пониманию природы взаимодействий. По убеждению физиков, все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддерживать в природе некий набор абстрактных симметрий.

Какое отношение имеет взаимодействие, или сила, к симметрии? Само предположение о существовании подобной связи кажется парадоксальным и непонятным. Сила — это то, что действует на вещество или изменяет природу частиц. Симметрия — понятие, связанное с гармонией и соразмерностью форм.

Для ответа на поставленный вопрос уточним прежде всего, что понимается под симметрией. Обычно считается, что предмет обладает симметрией, если он остается неизменным в результате той или иной проделанной над ним операции. Сфера симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Арка собора симметрична, поскольку не меняет своего вида при перестановке правого и левого относительно вертикальной оси. Законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов отрицательными и наоборот. Число примеров можно легко увеличить.

Симметрии, на которых основан пересмотр нашего понимания четырех фундаментальных взаимодействий, совершенно особого рода. Это так называемые калибровочные симметрии. Некоторые простые примеры проявления этих абстрактных симметрий, например инвариантность законов механики относительно изменения отсчета (нулевого уровня) высоты, были приведены в гл. 4. Калибровочные симметрии связаны с идеей калибровки путем изменения отсчета уровня, масштаба или значения физической величины. Система обладает калибровочной симметрией, если ее природа остается неизменной при такого рода преобразовании. Попытаемся на простом примере разобраться, как абстрактное понятие калибровочного преобразования можно связать с более конкретным представлением о физической силе.

Представьте себе, что вы находитесь на борту космического корабля, летящего равномерно и прямолинейно в мировом пространстве вдали от планет и других небесных тел. Вы не ощущаете ни действия каких-либо сил, ни самого движения. Вы пребываете в состоянии полной невесомости и свободно парите в кабине. Вообразить такую картину не составляет особого труда.

Теперь подвергнем этот сценарий калибровочному преобразованию. Иначе говоря, попытаемся изменить описание путем калибровочного преобразования, т. е. изменения масштаба, некоторой величины, в данном случае — расстояния. Предположим, что космический корабль по-прежнему движется в пространстве с постоянной скоростью, но уже по траектории, проходящей параллельно предыдущей на расстоянии 1 км от нее. Что означало бы такое калибровочное преобразование для пассажира космического корабля? Ровно ничего, если говорить о силах. Пассажир испытывал бы те же ощущения, что и в предыдущем сценарии. Точнее, поведение физических объектов вокруг пассажира абсолютно не зависит от того, по какой прямолинейной траектории движется корабль. Ясно, что в этом примере проявляется некая симметрия. Ее можно выразить утверждением, что законы физики инвариантны (т. е. неизменны) относительно параллельного переноса (или сдвига) при калибровке расстояния. Но пока силы по-настоящему не участвовали в нашем рассмотрении.

При калибровочном преобразовании траектория космического корабля оставалась прямолинейной. Пространственный сдвиг был одинаков у всех точек траектории. Иначе говоря, калибровочное преобразование было всюду одинаковым — подобное преобразование физики называют “глобальным” калибровочным преобразованием Глобальный характер важен: если бы калибровочное преобразование непрерывно изменялось вдоль траектории космического корабля, то преобразованная траектория представляла бы собой извилистую линию. У космического корабля, запрограммированного для полета по такой траектории, должны были бы непрерывно работать двигатели, а пассажира при каждом маневре бросало бы из стороны в сторону. Он испытывал бы действие сил. Маневрирование сказалось бы на поведении всех физических объектов внутри корабля. Калибровочные преобразования, изменяющиеся от точки к точке, известны под названием “локальных” калибровочных преобразований. Совершенно очевидно, что законы физики не инвариантны относительно локальных калибро

вочных преобразований, искривляющих траекторию космического корабля и причиняющих пассажиру столько неприятностей. А может быть, они все же инвариантны?

Для простоты предположим, что после калибровочного преобразования космический корабль запрограммирован для полета по круговой траектории с постоянной скоростью. Астронавт ощущает кривизну траектории, так как уже не находится в состоянии невесомости. Теперь он не будет свободно парить — центробежная сила прижимает его к стенкам корабля. Физические явления на борту космического корабля, движущегося по круговой орбите, существенно отличаются от того, что происходит на борту корабля, движущегося равномерно и прямолинейно.

Представьте себе, что вы и есть тот астронавт, который описывает на борту корабля круг за кругом в космическом пространстве. Вы засыпаете и, проснувшись, обнаруживаете, что снова находитесь в невесомости. “Должно быть, — подумаете вы, — космический корабль снова летит равномерно и прямолинейно”. Но выглянув в иллюминатор, вы к своему удивлению увидите вокруг себя звезды. Каким образом, двигаясь по окружности, можно оставаться в состоянии невесомости? Посмотрев в иллюминатор на противоположной стене, вы поймете причину: корабль движется по круговой орбите вокруг планеты.

Одна из наиболее занимательных картин в реальном космическом полете — свободное парение астронавта в состоянии почти полной невесомости при движении космического корабля" по орбите вокруг Земли. То, что испытывает при этом реальный астронавт, не отличимо от ощущений астронавта, движущегося в межзвездном пространстве равномерно и прямолинейно. В этом заключен глубокий физический принцип: явления, сопровождающие полет по криволинейной траектории вокруг планеты, ничем не отличаются от происходящих при равномерном и прямолинейном движении в глубоком космосе. Причина такого совпадения ясна: гравитация (тяготение) планеты в точности компенсирует эффекты, вызванные кривизной траектории космического' корабля. Физики говорят в этом случае, что гравитация создает компенсирующее поле; она строго компенсирует отклонение системы от прямолинейного движения. Разумеется, мы выбрали простой пример кругового движения. В случае полета космического корабля по извилистой линии для компенсации понадобилось бы гораздо более сложное гравитационное поле. Но коль скоро траектория космического корабля задана, можно рассчитать и гравитационное поле, способное восстановить комфорт и невесомость пассажиров. В принципе гравитацию всегда можно использовать для устранения сильной тряски на неустойчивой траектории.

Из всего сказанного следует весьма важный вывод. Законы физики можно сделать инвариантными даже относительно локальных калибровочных преобразований, если ввести гравитационное поле для компенсации изменений от точки к точке. Физики предпочитают пользоваться обратным утверждением, а именно: гравитационное поле поддерживает в природе локальную калибровочную симметрию, возможность свободно изменять масштаб от точки к точке пространства. В отсутствие гравитации возможна только глобальная симметрия; не нарушая законов физики, можно только переходить от одной прямолинейной траектории к другой. При наличии гравитации возможно преобразование к траекториям любой формы без нарушения законов физики. Напомним, что под симметрией мы понимаем инвариантность относительно некой операции. Симметрия, о которой только что говорилось, — это инвариантность законов физики относительно любых изменений формы траектории движения. С этой точки зрения гравитационное взаимодействие представляет собой проявление абстрактной симметрии, локальной калибровочной симметрии, лежащей в основе законов реального мира. Словно Творец сказал сам себе: “Мне так нравятся красота и симметрия! Прекрасно, если. повсюду воцарится калибровочная симметрия. Да будет так! Но что я вижу? Попутно возникло и новое поле. Назовем его гравитацией”.

Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что благодаря ей создается не только гравитационное, а и все четыре фундаментальных взаимодействия, встречающиеся в природе. Все их можно рассматривать как калибровочные поля. В квантовом описании калибровочные поля связаны с частицами вещества и концепцию калибровочного преобразования следует расширить, связав с фазой квантовой волны, описывающей частицу. Входить в технические детали этой процедуры вряд ли стоит. Существенно другое: в природе существует целый^ ряд локальных калибровочных симметрий и необходимо соответствующее число полей для компенсации этих калибровочных преобразовании. Силовые поля можно рассматривать как средство, с помощью которого в природе создаются присущие ей локальные калибровочные симметрии. С этой точки зрения, например, электромагнитное поле не просто определенный тип силового поля, существующего в природе, а проявление простейшей из известных калибровочных симметрий, совместимой с принципами специальной теории относительности. Калибровочные преобразования в этом случае соответствуют изменениям потенциала от точки к точке.

Интересно отметить, что физик-теоретик, ничего не знающий об электромагнетизме, но убежденный, что природа зиждется на симметрии, мог бы сделать вывод о существовании электромагнит-ных явлений, основываясь лишь на требовании простейшей локальной калибровочной симметрии и так называемой симметрии Лоренца—Пуанкаре специальной теории относительности, о которой мы упоминали в гл. 4. Используя математику и основываясь

только на существовании этих двух симметрий, теоретик смог бы построить уравнения Максвелла, не проведя ни единого эксперимента по электричеству и магнетизму и даже не подозревая об их существовании. При этом он, возможно, рассуждал бы так1 коль скоро упомянутые симметрии — простейшие и наиболее утонченные, вряд ли природа не воспользовалась бы ими. Исходя из подобных чисто умозрительных соображений, теоретик пришел бы к выводу о существовании в реальном мире электромагнитных явлений. Он мог бы пойти и дальше: вывести все законы электромагнетизма, доказать существование радиоволн, возможность создания динамомашины и т. д., т. е. совершить все те открытия, которые в действительности были сделаны на основе реальных экспериментов. Могущество математического анализа, используемого для описания явлений природы, столь велико, что позволяет предвидеть такие особенности, о существовании которых мы и не помышляли.

Оглядываясь на 70-е годы, историки будут рассматривать их как время, когда ученые обнаружили, что в природе вовсе не существует никаких четырех фундаментальных взаимодействий. Электромагнитное и слабое взаимодействия, при поверхностном взгляде весьма разные по своей природе, в действительности оказались двумя разновидностями единого — так называемого электрослабого — взаимодействия, о существовании которого никто и не подозревал.

Суть теории Вайнберга и Салама состоит в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля. Этот шаг следовало предпринять еще до того, как появилась хоть какая-то надежда на унификацию. В предыдущей главе мы говорили, . что понятие калибровочной симметрии является ключевым при построении теории взаимодействий, освобожденной от проблемы расходящихся членов.

Представляя слабое взаимодействие в виде калибровочного поля, мы должны исходить из того, что все частицы, участвующие в слабом взаимодействии, служат источниками поля нового типа — поля слабых сил, хотя мы не воспринимаем это поле непосредственно. Слабо взаимодействующие частицы, такие, как электроны и нейтрино, являются носителями “слабого заряда”, который аналогичен электрическому заряду и связывает эти частицы со слабым полем.

позволяющая превращать электроны в нейтрино и наоборот. По мере поворота ручки сродство с электроном у всех электронов

постепенно убывает до тех пор, пока электроны не превращаются в нейтрино. Одновременно сродство с нейтрино у всех нейтрино также убывает, и все они превращаются в электроны. Разумеется, в действительности ничего подобного не происходит, но теоретики, исследуя уравнения, описывающие частицы и взаимодействия, могут изучать следствия подобных воображаемых превращений.

Только что описанная картина служит примером глобального калибровочного преобразования. Оно глобально, так как “поворот ручки” изменяет природу каждого электрона и каждого нейтрино во всей Вселенной. В предыдущей главе мы видели, как переход от глобальной калибровочной симметрии к локальной приводит к возникновению силовых полей, необходимых для компенсации изменяющихся от точки к точке калибровочных преобразований. Меняя калибровку местоположения в каждой точке, мы пришли к необходимости ввести понятие гравитационного ноля. Глобальное калибровочное преобразование, производимое волшебной ручкой, также можно превратить в локальное калибровочное преобразование. Вообразим, что в каждой точке пространства имеется своя волшебная ручка и что все ручки установлены в различных положениях. В таком случае для поддержания симметрии необходимы новые силовые поля, компенсирующие хаотическую установку ручек от точки к точке. Оказывается, что эти новые силовые поля точно описывают слабое взаимодействие. Соответствующая калибровочная симметрия гораздо сложнее, чем в случае электромагнитного взаимодействия; это усложнение выражается в том, что для поддержания симметрии необходимы три новых силовых поля, в отличие от единственного электромагнитного поля. Нетрудно получить и квантовое описание этих трех полей: должны существовать три новых типа частиц—переносчиков взаимодействия, по одному для каждого поля.

Насколько точно эти поля описывают слабое взаимодействие? Они призваны компенсировать изменение от точки к точке степени смешивания электронов и нейтрино. (Теория Вайнберга—Са-лама применима также к другим лептонам и кваркам.) Это означает, что при испускании или поглощении кванта поля, природа частицы тут же изменяется. Электрон может превратиться в нейтрино, нейтрино — в электрон. Именно так и происходит под действием слабых сил.

Несмотря на столь счастливое согласие между теорией и экспериментом, описанию слабого взаимодействия как калибровочного поля еще предстояло преодолеть серьезное препятствие. Дело в том, что калибровочные поля по своей природе дально-действующие, казалось, что теория неизбежно должна предсказывать нулевую массу покоя частиц-переносчиков, как в случае фотона. В действительности же слабое взаимодействие существует лишь на очень малых расстояниях, и частицы — переносчики слабого взаимодействия имеют огромную массу. Если в теории

Решение этой головоломки было найдено Вайнбергом и Са-ламом в 1967 г. В основе его лежала остроумная идея, получившая название спонтанного нарушения симметрии. Вот как оно происходит.

Представим себе гладкую поверхность в форме мексиканского сомбреро, покоящегося на горизонтальном основании (рис. 19). Поместим на верхушку “сомбреро” шарик. В такой конфигурации система обладает очевидной симметрией, а именно: она не меняет своего вида при поворотах вокруг вертикальной оси, проходящей через центр шляпы. Если рассматривать только гравитацию, то никакого выделенного горизонтального направления здесь нет (гравитация действует по вертикали); все точки на полях сомбреро равнозначны.

Рассматриваемая система симметрична, но не устойчива. Стоит шарику тронуться с места, как он скатится вниз и остановится где-то на полях “сомбреро”. Как только это произойдет, симметрия системы нарушится. Шарик остановится в определенном месте на полях шляпы, задав тем самым выделенное горизонтальное направление от центральной оси. Устойчивость оплачена нарушением симметрии. В устойчивой конфигурации исходная вращательная симметрия сил (в нашем случае — гравитации)

по-прежнему существует, по в скрытом виде. Наблюдаемое состояние системы не отражает симметрии тех взаимодействий, которые проявляются в системе.

симметрия по-прежнему присуща фундаментальным законам, но не проявляется в реальном состоянии системы. Именно поэтому физикам не удавалось обнаружить эту крайне важную калибровочную симметрию в течение тридцати пяти лет исследований слабого взаимодействия.

Чтобы получить решающее спонтанное нарушение симметрии, Вайнберг и Салам ввели в теорию дополнительное поле — так называемое поле Хиггса (в честь Питера Хиггса из Эдинбургского университета, который ранее изучал спонтанное нарушение симметрии в физике элементарных частиц). Никто никогда не видел поля Хиггса, но его наличие может оказывать решающее влияние на поведение калибровочных полей. В примере с сомбреро симметричное состояние — с шариком на самой верхушке шляпы — неустойчиво. Шарик “предпочитает” скатиться на поля, так как

Воспользовавшись идеей спонтанного нарушения симметрии, Вайнберг и Садам сделали следующий важный шаг, соединив электромагнетизм и слабое взаимодействие в единой теории калибровочного поля. Чтобы единая теория включала поля обоих типов, необходимо было начать с более сложной калибровочной симметрии, которая сочетает в себе и более простую калибровочную симметрию электромагнитного взаимодействия и изотопическую симметрию слабого взаимодействия. Таким образом, в теории Вайнберга — Салама представлено всего четыре поля; электромагнитное поле и три поля, соответствующие слабым взаимодействиям. Следующий шаг состоял во введении поля Хиггса, которое могло бы вызвать спонтанное нарушение симметрии. Первоначально W- и Z-кванты не имеют массы, но нарушение симметрии приводит к тому, что некоторые частицы Хиггса сливаются с W- и Z-частицами, наделяя их массой. По образному выражению Салама, W- и Z-частнцы “поедают” частицы Хиггса, чтобы прибавить в весе. Фотоны не участвуют в этом процессе в остаются безмассовыми.

Теория Вайнберга — Салама великолепно объясняет, почему кажется, что электромагнитное и слабое взаимодействия обладают столь непохожими свойствами. В действительности фундаментальная структура их силовых полей во многом одинакова: и электромагнитное, и слабые поля — калибровочные. Различия в их свойствах обусловлены нарушением симметрии. Мы не замечаем калибровочную симметрию слабого поля, поскольку она скрыта от нас нарушением симметрии.

Между электромагнитным и слабым взаимодействиями есть еще одно существенное различие — это их величина. Почему слабое взаимодействие имеет столь малую величину? Теория Вайнберга—Салама объясняет это. Если бы симметрия не нарушалась, то оба взаимодействия были бы сравнимы по величине. Нарушение симметрии влечет за собой резкое уменьшение слабого взаимодействия. Действительно, величина слабого взаимодействия непосредственно связана с массами W и Z-частнц. Можно сказать, что слабое взаимодействие имеет столь малую величину потому, что W- и Z-частицы очень массивны.

После того как Вайнберг и Салам в конце 60-х годов опубликовали свою теорию, одна важная теоретическая проблема оста

валась нерешенной. Будет ли теория Вайнберга — Салама пере-нормируемои? Произойдет ли чудо, позволившее КЭД избавиться от бесконечностей, с объединением электрослабых калибровочных полей? Решением этой проблемы в начале 70-х годов занялся Герхард 'т Хоофт из Утрехтского университета. Задача оказалась необычайно трудной. Потребовались сложные и громоздкие вычисления большого числа членов длинной последовательности, чтобы выяснить, где могут возникнуть серьезные бесконечности. В известной мере работу облегчало использование компьютера. Впоследствии 'т Хоофт поведал о том, с какой тревогой он изучал результаты, полученные с компьютера:

Ясно, что решающее значение для исключения бесконечностей имела высокая степень симметрии, заложенная в электрослабой теории. Физики извлекли из этого хороший урок.

Теперь предстояло лишь выполнить окончательную экспериментальную проверку новой теории. Наиболее убедительная проверка заключалась в подтверждении существования пока еще "гипотетических W- и Z-частиц.

Открытие в 1983 г. W- и Z-частиц означало торжество теории Вайнберга — Салама. Не было больше нужды говорить о четырех фундаментальных взаимодействиях. Казавшиеся при поверхностном рассмотрении никак не связанными между собой электромагнитное и слабое взаимодействия в действительности были просто двумя компонентами единого электрослабого взаимодействия. За выдающиеся достижения Вайнберг и Салам были удостоены в 1979 г. Нобелевской премии по физике, разделив ее с Шелдоном Глэшоу из Гарвардского университета, который ранее заложил основы этой теории.

Вдохновленные блестящими достижениями теории электрослабого взаимодействия, физики заинтересовались возможностью дальнейшего объединения: а что если в природе существуют всего два фундаментальных взаимодействия или даже единственная суперсила? Незадолго до этого тщательному анализу подвергалось сильное взаимодействие.

Вскоре после того, как успех теории Вайнберга — Салама стал очевиден, возникла идея дальнейшего объединения — слияния сильного взаимодействия с электрослабым. Но прежде чей такое объединение могло бы осуществиться, сильному взаимодействию следовало придать черты калибровочного поля. Мы уже знаем, что сильное взаимодействие можно представлять как результат обмена глюонами, который обеспечивает связь кварков попарно или тройками в адроны. Описание такого процесса на языке калибровочных полей можно построить, вновь воспользовавшись обобщенным представлением об изотопической симметрии.

Суть идеи состоит в следующем. Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, служащим источником глюонпого поля. За неимением лучшего термина это? “заряд” назвали цветом. (Разумеется, это название не имеет никакого отношения к обычному цвету.) Электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, а для создания более сложного глюонного поля потребовалось три различных цветовых заряда. Каждый кварк соответственно мог быть одного из трех возможных цветов, которые совершенно произвольно были названы красным, зеленым и синим.

Связанную с этими цветами калибровочную симметрию наглядно можно представить, снова воспользовавшись “волшебной ручкой”, позволяющей смешивать цвета кварков. В данном случае ручка имеет три указателя цвета — красный, зеленый и синий (рис. 20), — а не два. Поворот ручки превращает красные кварки в зеленые или синие в зависимости от направления вращения. И в этом случае превращение происходит непрерывно: красный цвет постепенно переходит в синий и т. д.

Антикварки бывают антикрасные, антизеленые и антисиние. Сами глюоны также несут различные цвета, но не чистые, а смешанные, например сине-антизеленый. Когда кварк испускает глюон, его цвет изменяется в зависимости от цвета глюона. Например, красный кварк может, испустив красно-антисиний глюон, изменить свой цвет на синий. Аналогично зеленый кварк, поглотив сине-антизеленый глюон, превращается в синий и т. д.

В типичном адроне (например, в протоне) три кварка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Однако такие изменения не носят произвольный характер. Математический аппарат теории накладывает жесткое ограничение в виде очень важного правила, которому должна неукоснительно следовать эта “игра

цветов”. В любой момент времени “суммарный” цвет трех кварков должен представлять собой сумму “красный + зеленый + синий”. Продолжая аналогию с реальным цветом, можно сказать, что комбинация цветов в адроне должна всегда давать белый цвет (смешение первичных цветов, красного, зеленого и синего, дает белый цвет). Итак, мы видим фундаментальную калибровочную симметрию “за работой”. Действие глюонных полей компенсирует внутренние изменения цветов кварков, неизменно сохраняя чисто белым цвет адрона.

Адроны могут состоять из пар кварк — антиквзрк. Это так называемые мезоны. Так как антикварк характеризуется антицветом, такая комбинация заведомо бесцветна (“белая”). Например, красный кварк в комбинации с антикрасным кварком образует бесцветный мезон. В этой схеме все лептоны также лишены цвета, поскольку не взаимодействуют с глюонным полем.

Альтернативная стратегия поиска кварков состояла в том, чтобы обратиться к самой природе. Если кварки существуют,

то разумно предположить, что где-то они возникли в природе. Возможно, что при образовании вещества сначала появились кварки, из которых затем возникли адроны. Не исключено, что при этом нескольким кваркам не хватило партнеров и они в оди-ночестве блуждают во Вселенной. Но если эта гипотеза верна, то в результате анализа обычного вещества можно обнаружить эти одиночные кварки, все еще блуждающие где-то неподалеку.

А что произойдет, если попытаться просто-напросто силой вытолкнуть кварк из адрона? Каким суперклеем он удерживается там так прочно, что никогда не освобождается?

Важный ключ к разгадке природы взаимодействия между кварками был получен в экспериментах на СЛАКе(о которых мы упоминали ранее) при бомбардировке протонов электронами очень высоких энергии. Результаты экспериментов свидетельствовали о том, что на коротких расстояниях взаимодействие ослабевает и кварки по существу ведут себя, как свободные частицы. Более содержательную информацию удается извлечь из свойств мезонов, в которых кварк и антикварк образуют связанную систему, напоминающую атом водорода. Исследуя возбужденные состояния атома водорода, можно сделать вывод, что, поскольку электрическая сила, действующая между протоном и электроном, подчиняется закону обратных квадратов, их взаимное притяжение быстро уменьшается с расстоянием. Аналогичные исследования возбужденных состояний мезонов свидетельствуют о прямо противоположной ситуации. Если две частицы удаляются на большое рас" стояние и переходят в состояние с более высокой энергией, взаимодействие между ними не ослабевает, а усиливается.

Как только идея удержания кварков получила всеобщее признание, возникла мысль, способна ли КХД объяснить его. Вычисления оказались чрезвычайно трудными, хотя и выявили ряд обнадеживающих моментов. С физической точки зрения удалось в общих чертах понять, каким образом взаимодействие между кварками усиливается с ростом расстояния.

Основное различие между электромагнитным полем, в котором сила убывает с увеличением расстояния, и глюонным полем состоит в том, что фотоны не имеют электрического заряда. Если бы у них был электрический заряд, то мир изменился бы до неузнаваемости. В отличие от фотонов глюоны несут цветовой “заряд” в различных комбинациях, например в комбинации красно-антизеленый. Но цвет — источник сильного взаимодействия. Следовательно, глюоны не только соединяют кварки, но и стремятся соединиться друг о другом. Это существенно услож

няет ситуацию, но тщательный анализ приводит к мысли, что эта универсальная “липкость” глюонов, возможно, является ключом к объяснению удержания кварков.

Чтобы уяснить это, нам придется вернуться к понятию квантового вакуума. Посмотрим прежде всего, что произойдет с электроном, если его поместить в вакуум. Напомним, что пространство вокруг электрона в действительности не пусто, а заполнено виртуальными частицами всевозможных сортов, в том числе виртуальными электронами и виртуальными позитронами. Хотя мы непосредственно не наблюдаем эти виртуальные частицы, известно, что они тем не менее существуют и могут создавать физические эффекты. Электрон, помещенный в вакуум, также “узнает” об их существовании, так как они “отзовутся” на его появление. Электрическое поле электрона внесет возмущения в поведение виртуальных электронов и позитронов на протяжении их недолгого существования. Виртуальные позитроны будут притягиваться к электрону под действием силы электрического притяжения, а виртуальные электроны — отталкиваться от него. В распределении заряда возникает смещение, называемое поляризацией. То, что пустое пространство в присутствии электрического поля может стать электрически поляризованным, является любопытным следствием квантовой теории. Трудно представить себе вакуум, обладающий электрическими свойствами, однако поляризация вакуума — эффект вполне реальный и его нетрудно измерить экспериментально.

Поляризация вакуума приводит к тому, что вокруг электрона в вакууме возникает своего рода экран, нейтрализующий действие электрического заряда. Избавиться от этого экрана электрон никак не может, поскольку он является неотъемлемой частью облака виртуальных частиц, окружающих все электроны. Вслед-- ствие экранирования эффективный заряд электрона издали кажется меньше реального. Введя зонд внутрь облака, мы почувствовали бы “голый” электрон, имеющий гораздо больший заряд. По мере проникновения зонда в облако мы обнаружим, что простой закон обратных квадратов, выполняющийся на некотором расстоянии от заряда, перестает быть справедливым из-за облака виртуальных позитронов, окутывающих электрон. Таким образом, поляризация вакуума, или вакуумная экранировка, может изменить характер зависимости силы от расстояния.

Экранировка возникает и в глюонном поле, где она приводит к изменению цветового заряда кварков. Виртуальные антикварки стремятся облепить кварк “противоположного” цвета. Например, красный кварк притягивает облако антикрасных антикварков. Как и в случае электромагнитного взаимодействия, происходит частичная нейтрализация цветового заряда. Однако на этот раз Дополнительный вклад в поляризацию вакуума вносят глюоны.

Поскольку глюоны также обладают цветом, виртуальные глюоны в вакууме “откликаются” на присутствие кварка. Оказывается, что глюонное облако действует не так, как облако кварков: оно стремится не нейтрализовать, а усилить цветовой заряд центрального кварка. Поэтому действие виртуальных глюонов противоположно действию виртуальных кварков, и, как показывают детальные вычисления, глюоны одерживают верх: в итоге совместного действия виртуальных глюонов и кварков вакуум усиливает цветовой заряд центрального кварка, а не ослабляет его.

Это обстоятельство оказывает серьезное влияние на взаимодействие кварков. Когда кварк проникает в облако виртуальных частиц своего “партнера”, эффективный цветовой заряд кварка внутри облака ослабевает, и взаимодействие уменьшается. Вторгшись внутрь облака, кварк избавляется от взаимодействия с другими кварками. Ослабевая, взаимодействие между кварками утрачивает свою силу. Подобная ситуация прямо противоположна той, с которой мы сталкиваемся в электромагнетизме, и как раз пригодна для объяснения пленения ксарков.

Если электрослабое и сильное взаимодействия в действительности представляют собой лишь две стороны великого единого взаимодействия, то последнему должно соответствовать калибровочное поле с детально разработанной симметрией, достаточно широкой, чтобы охватить все калибровочные симметрии, содержащиеся в КХД и теории Вайнберга — Салама. Отыскание такой симметрии — задача математики. Единой симметрии, которая об

ладала бы всеми нужными свойствами, не существует, отсюда и обилие конкурирующих теорий. Тем не менее все ТВО имеют ряд общих особенностей.

Одна из них состоит в том, что кварки, источники (носители) сильного взаимодействия, и лептоны, источники (носители) электрослабого взаимодействия, включаются в единую теоретическую схему. До сих пор кварки и лептоны рассматривались как совершенно различные объекты, так что их включение в единую теорию было совершенно новой идеей. Оно ознаменовало еще один важный шаг на пути к объединению.

Как и прежде, требование, чтобы в природе с помощью компенсирующих полей соблюдалась абстрактная калибровочная симметрия (на этот раз более широкая), приводит нас к открытию (чисто теоретическому) новых типов полей, обладающих новыми свойствами, например способностью превращать кварки в лептоны. В простейшем варианте ТВО, предложенном Джорджи и Глэшоу, волшебная ручка связывает вместе красные, зеленые и синие d-кварки, позитрон и антинейтрино. Для этого требуется двадцать четыре поля. Двенадцать из квантов этих полей уже известны: фотон, две W-частицы, Z-частица и восемь глюонов.

Остальные двенадцать квантов — новые, объединенные общим названием Х-частицы. Эти кванты соответствуют полям, поддерживающим более широкую калибровочную симметрию и перемешивающим кварки с лептонами (это соответствует положениям волшебной ручки, при которых происходит смешивание, например, красного d-кварка и позитрона). Следовательно, кванты этих полей, Х-частицы, могут превращать кварки в лептоны (и наоборот), если те обмениваются ими как переносчиками взаимодей-ствия. Электрический заряд Х-частиц равен 1/3 и 4/3.

Происходит нечто замечательное. То, что в самом начале было комбинацией двух u-кварков и одного d-кварка, превратилось в позитрон и пару кварк — антикварк. Позитрон не участвует в сильном взаимодействии и поэтому вылетает из адрона, тогда как оставшаяся пара кварк — антикварк образует уже не протон, а мезон (точнее, пион). С точки зрения экспериментатора, эта последовательность событий выглядит как распад протона на позитрон и пион.

На протяжении всей истории физики элементарных частиц незыблемым правилом всегда оставалась абсолютная стабильность протона. Ведь обычное вещество построено из протонов. Предсказание ТВО, что протон может оказаться нестабильным и рас-падаться, было ошеломляющим. Из него следует, что все вещество в конечном счете нестабильно и, следовательно, не вечно — вывод, безусловно, чрезвычайно глубокий.

В начале зимы 1974 г. я ехал на машине из Лондона на кон-4)еренцию в Резерфордовскую лабораторию, расположенную близ Оксфорда. Одним из моих попутчиков был Абдус Садам, и разговор зашел о содержании доклада, с которым он собирался выступить. Салам сказал, что у него есть кое-какие идеи о возможности распада протонов. Помню, что сама мысль о распаде протона смутила меня, и я отнесся к ней не без изрядной доли скептицизма. В назначенное время Салам сделал свой доклад, который оказался весьма пророческим. Но эта конференция запомнилась мне беседой с Стивеном Хокингом из Кембриджского университета, который сообщил о своем сенсационном открытии; ему удалось доказать, что черные дыры неустойчивы и в конце концов взрываются, создавая потоки радиации. Небезынтересно, что процесc Хокинга, как стало ясно автору открытия спустя несколько лет, может также вызвать распад протона. Квантовые эффекты позволяют протону путем спонтанного туннелирования превращаться в виртуальную черную дыру, которая затем испаряется (что описывается процессом Хокинга), испуская при этом позитрон. Однако распад протона через черную дыру менее вероятен, чем по схеме ТВО.

Ясно, что внезапное исчезновение протона — событие, которое не может не привлечь острого внимания специалистов по физике элементарных частиц; в этой связи возникает вопрос, почему распад протона не был открыт давным-давно. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо выяснить, какую скорость распада предсказывает теория. Исследование радиоактивности показывает, что период полураспада может изменяться в широких пределах

взаимодействия, равны небольшому целому кратному этого значения. До создания ТВО было неясно, почему не могут существовать частицы с любым зарядом, например с зарядом, равным л фундаментальных единиц. Единая теория не допускает существования таких зарядов. Жесткие правила отбора допустимых зарядов обусловлены тем, что все частицы принадлежат большим семействам, члены которых могут обмениваться частицами — переносчиками взаимодействия, имеющими заряды, равные фиксированному числу единиц заряда. Например, при распаде протона, когда d-кварк превращается в позитрон и передает заряд —4/3 Х-частице, поглощающий ее м-кварк должен приобрести (в результате поглощения Х-частицы) заряд, соответствующий заряду возникающего при этом антикварна. Вся арифметика должна сходиться. Это означает, что все частицы семейства должны иметь заряды, равные небольшим целым кратным друг друга (или вообще не иметь заряда).

Среди аргументов против различных ТВО называют отсутствие однозначной теории и масштаб объединения, столь далекий, что вряд ли эта теория когда-нибудь будет доступна непосредственной экспериментальной проверке. Как же в таком случае выбрать одну из соперничающих теорий? Если ТВО описывают природу в столь малых масштабах и при столь высоких энергиях, которые мы никогда не сможем наблюдать, то не превратится ли физика в метафизику? Не находимся ли мы в положении Демокрита и других греческих философов, которые без конца размышляли о формах и свойствах атомов, не имея ни малейшей надежды наблюдать их?

Некоторые физики пылко надеются, что это не так, и указывают три спасительные путеводные нити, которые позволяют нам сохранить власть над физикой в масштабе объединения. Рассмотрим каждую из них в отдельности.

Распад протона

На той неделе, когда ЦЕРН оповестил мир об открытии Z-частицы, Стивен Вайнберг находился на заседании Королевского общества в Лондоне. Он заявил, что весьма пессимистически смотрит на будущее фундаментальной физики. Такой прогноз мог показаться неожиданным. Как может Вайнберг, чья теория как раз на этой неделе получила столь блестящее подтверждение, пессимистически смотреть на развитие физики?

Подобно многим выдающимся физикам-теоретикам, Вайнберг на несколько шагов опередил экспериментаторов. Его интересы уже давно переместились с электрослабой теории на Великое объединение и далее. Пессимизм Вайнберга был вызван не прекрасным положительным результатом, полученным в ЦЕРНе, а получившим меньшую огласку отрицательным результатом, сообщение о котором поступило с озера Эри.

Известие было встречено с огромным интересом, хотя и с определенной осторожностью. Дело в том, что даже на тон глубине, где проводился эксперимент, распад протона вполне могли имитировать космические лучи и нейтрино. Чтобы подтвердить полученные результаты и вселить уверенность в физиков, требовались другие эксперименты. Через несколько месяцев группа из ЦЕРНа, проводившая эксперимент под Монбланом, также зарегистрировала событие, внешне выглядевшее как распад протона, и интерес к распаду протона стал возрастать. Казалось, мы подошли обнадеживающе близко к порогу новой области в физике.

Этот отрицательный результат не опроверг ТВО, но, по-видимому, исключил простейшие версии Великого объединения. Существуют более сложные теории, предсказывающие гораздо большее время жизни протона, но и в этом случае маловероятно, что мы когда-нибудь станем свидетелями распада протона; точность экспериментов стремительно приближается к теоретическому пределу.

По мере того как становилось все яснее, что попытки обнару-жить распад протона обречены на неудачу, все больше внимания стал привлекать единственно известный экспериментальный способ увидеть хотя бы смутные очертания физики, соответствующей масштабу объединения. Я имею в виду магнитный монополь.

В предыдущих главах мы часто упоминали о легендарной симметрии и красоте уравнений в теории электромагнетизма Максвелла. Однако существует один “недостаток”, нарушающий в остальном безупречное изящество теории Максвелла. Электричество и магнетизм представлены в уравнениях Максвелла не равнозначно. Хотя электрическая и магнитная силы тесно взаимосвязаны, они входят в теорию не вполне симметрично. Электрические поля создаются либо электрическими зарядами, либо изменяющимися магнитными полями, в то время как магнитные поля создаются только электрическим током и изменяющимися электрическими полями. Казалось бы, нет веских оснований для того, чтобы магнитные поля не могли создаваться магнитными зарядами (а электрические поля — магнитными токами).

У любого обычного стержневого магнита есть северный и южный полюса, но более глубокий анализ показывает, что магнетизм в действительности обусловлен электрическими токами, циркулирующими в атомах. Так как виток с током эквивалентен паре магнитных полюсов — северному с одной стороны витка и южному — с другой, магнит представляет собой “диполь”, т. е. имеет одновременно и северный, и южный полюса. Виток с током не может иметь только один полюс, подобно тому, как монета не может иметь лишь одну сторону. От магнита нельзя отделить один полюс, т. е. создать монополь.

Исследования показывают, что все магниты представляют собой диполи. Магнитные монополи, если они существуют, должны быть крайне неуловимы. Систематическое изучение горных пород, в том числе и лунного грунта и проб, взятых со дна океана, не обнаружило ни одного отдельного магнитного заряда. Многие физики склонны думать, что магнитных монополей не существует. Если это действительно так, то магнетизм — всего лишь вторичный продукт электричества. Принять такую гипотезу это значит признать, что в природе не существует симметрии между электричеством и магнетизмом.

Хотя проведенный Дираком анализ выявил место магнитного монополя в физике, из теории Дирака отнюдь не следовало, что магнитные монополи непременно существуют. Почти за полвека на эту тему было написано не так уж много. И вдруг в 1975 г. физики были потрясены сообщением о том, что магнитный монополь обнаружен в космических лучах. Сообщение оказалось ложной тревогой, но послужило стимулом к возрождению интереса к проблеме. Этому немало способствовали новые теоретические идеи, благодаря которым новая концепция монополя оставила далеко позади работу Дирака. По существу теоретики установили, что существование магнитных диполей с той или иной степенью неизбежности вытекает из ТВО.

Поскольку о прямом рождении столь массивных частиц не может быть и речи, сторонники концепции магнитного монополя обратились к космологии. А что если МВО образовались вместе

14 февраля 1981 г. Блаз Кабрера из Станфордского университета зарегистрировал такой скачок магнитного потока. Наблюдение Кабреры вызвало в некотором роде сенсацию и приветствовалось экспериментаторами как первое убедительное свидетельство обнаружения магнитного монополя из космического пространства. Другие группы поспешили провести свои эксперименты, надеясь подтвердить результат Кабреры, но пока безуспешно. В то время, когда писались эти строки, росло убеждение, что монополь Кабреры также может оказаться ложной тревогой.

Чтобы выделилась такая энергия, должна произойти аннигиляция монополя и антимонополя, т. е. северного и южного полюсов. Возникновение каждого северного полюса сопровождается появлением южного полюса, поэтому в среднем на поверхность Земли должно попадать одинаковое количество северных и южных полюсов. Поскольку магнитные монополи, погружаясь в обычное вещество, сохраняют свою стабильность, их в принципе можно было бы накапливать, сортируя северные и южные и запасая в своего рода электромагнитных “сосудах”. При необходимости, смешав несколько северных полюсов с равным количеством южных полюсов, можно было бы получить поразительное количество энергии. В крупных масштабах подобное устройство могло бы превратиться в бинарное оружие чудовищной силы.

Некоторые геофизики допускают, что нечто подобное может происходить в естественных условиях в недрах Земли. Падающие на Землю монополи замедляются в земной коре, а попав в ядро Земли, накапливаются там. Геомагнитное поле должно отводить северные полюсы к северу, а южные — к югу, препятствуя их перемешиванию. При обращении геомагнитного поля эти дье популяции могут меняться местами, и при миграциях во встречных направлениях происходило бы большое число столкновений северных полюсов с южными, сопровождаемых их аннигиляцией. Высказывалось даже предположение, что этот процесс мог бы в основном объяснить внутреннее тепло Земли.

Поиски распада протона и магнитных монополей отражают угасающие надежды обнаружить хотя бы экспериментально проблески физических явлений, характерных для масштаба объединения. Отказаться от намеченных исследований было бы преждевременно, но многие физики приходят к заключению, что инициатива теперь принадлежит теоретикам. Лишь немногие физики-теоретики считают, что теории великого объединения — последнее слово науки. Но ведь ТВО преуспели в объединении лишь трех из четырех фундаментальных взаимодействий. Какие новые перспективы могут открыться, если появится единая теория в подлинном смысле слова?

Гравитация — это “белая ворона” среди других сил природы. Остальные взаимодействия имеют характер силовых полей, простирающихся в пространстве и времени, гравитация же сама

представляет собой пространство и время. Общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию как деформацию, искривление пространства-времени.' Это не что иное, как пустота, испытывающая возмущение.

Геометрической природе гравитационного поля, по-видимому, присуща необычайная утонченность, но именно она создает серьезные трудности при любой попытке квантового описания. На протяжении десятилетий общая теория относительности Эйнштейна не поддавалась последовательной квантовой формулировке. Несмотря на то что гравитации соответствует калибровочное поле, ее описание на языке обмена гравитонами (частицами — переносчиками гравитационного взаимодействия) дает разумные результаты только в случае простейших процессов. Камнем преткновения, как всегда, служат бесконечные члены, возникающие в уравнениях всякий раз, когда встречаются замкнутые гравитационные петли.

Проблема расходимости гравитационного поля усугубляется тем, что гравитон сам по себе несет гравитационный заряд. В этом отношении он напоминает глюон, который является переносчиком сильного взаимодействия и несет цветовой заряд. Поскольку все формы энергии, включая гравитоны, являются источником гравитации, можно утверждать, что гравитоны “гравитируют”. Это означает, что два гравитона могут взаимодействовать, обмениваясь между собой третьим гравитоном, как показано на рис. 21. Можно придумать много сложных диаграмм с обменом гравитонами, и совершенно очевидно, что число замкнутых гравитонных петель (рис. 22) быстро растет по мере того, как включаются процессы, более сложные, чем простой обмен гравитоном.

Появление бесконечной последовательности расходимостей в уравнениях гравитационного поля ныне принято считать неизбежным недостатком квантовой теории гравитации, основанной на теории Эйнштейна. Ситуация здесь напоминает положение дел со слабым взаимодействием до его объединения с электро магнетизмом. Обе теории “неперенормируемы”.

В случае слабого взаимодействия причина была в симметрии: старая теория испытывала недостаток симметрии. Но стоило ввести в нее мощную калибровочную симметрию, как все расходимости, словно по мановению волшебной палочки, исчезли. Теоретики извлекли из этого хороший урок, и лет десять назад принялись за поиски новой симметрии, более широкой, чем ранее известные, которая избавила бы гравитацию от неперенормируемости. Так физики пришли к идее суперсимметрии.

Суть суперсимметрии связана с понятием спина в том виде, в каком оно используется в физике элементарных частиц. Когда говорят о частице со спином, имеют в виду не просто представление о крохотном шарике, вращающемся вокруг собственной оси. Кое-что о необыкновенных свойствах спина было рассказано в гл. 2. У частицы со спином происходит своего рода “раздвоение мира”, не соответствующее геометрической интуиции.

Другой класс частиц образуют “фермионы”. Они имеют полуцелый спин. Все кварки и лептоны имеют спин, равный 1/2, и относятся к фермионам. Именно спином фермионов обусловлена необходимость двукратного поворота для возвращения в исходное состояние, и это бросает вызов нашему воображению.

Бозоны и фермионы существенно отличаются по своим физическим свойствам. Особенно сильно это различие проявляется

Принцип Паули дает возможность объяснить и многое другое в окружающем нас мире, например различие между проводниками и изоляторами. В проводнике некоторые электроны, приобретая энергию от внешнего электрического поля, могут переходить на более высокие энергетические уровни. В изоляторе этого не происходит, так как все более высокие уровни заняты другими электронами. Принцип Паули помог объяснить также природу силы, препятствующей гравитационному коллапсу белых карликов и нейтронных звезд. Не будь принципа Паули, все звезды заканчивали бы свое существование как черные дыры.

Принципиальные различия в физических свойствах фермионов и бозонов приучили физиков десятилетиями хранить информацию о них в разных участках мозга. В частности, все переносчики взаимодействия —бозоны, тогда как кварки и лептоны — ферми-оны. Это означает, что бозоны принято ассоциировать с взаимодействием, а фермионы с веществом. Столь резкое различие между ними, вероятно, объясняет, почему у многих физиков вызвала недоумение предложенная в начале 70-х годов суперсимметрия, объединяющая бозоны и фермионы в рамках одной теории. Такое объединение напоминает вынужденный брак — столь различны по своим свойствам эти две группы частиц; тем не менее оно возможно, если обратиться к симметрии, более широкой, нежели симметрия Лоренца — Пуанкаре, лежащая в основе теории относительности. Математически суперсимметрия соответствует извлечению квадратного корня из симметрии Лоренца — Пуанкаре. Физически же она соответствует превращению фермиона в бозон и наоборот. Разумеется, в реальном мире невозможно проделать такую операцию, как невозможно, вращая “волшебную ручку”, изменять индивидуальность электрона в случае калибровочных симметрий, рассмотренных в предыдущих главах. Тем не менее операцию суперсимметрии можно сформулировать математически и можно построить теории, включающие суперсимметрию.

Вскоре “супертеоретики” сосредоточили внимание на гравитации. Суперсимметрия тесно связана с геометрией: если произвести одну за другой две суперсимметричные операции, то получится простая геометрическая операция, вроде пространственного сдвига. Математический аппарат суперсимметрии получил название квадратного корня из геометрии. Гравитацию, представляющую собой в чистом виде геометрию искривленного пространства, можно естественным образом выразить на языке суперсимметрии, что позволяет более ярко продемонстрировать калибро-вочно-полевую природу.

Существование всех этих “ино” решающим образом сказывается на математической формулировке теории, в особенности на доставляющем столько беспокойства вопросе о перенормируемости. Грубо говоря, “ино”, относящиеся к фермионам, порождают в теории расходимости противоположного знака по сравнению с расходимостями, обусловленными бозонами, например гравитонами. Таким образом, имеется тенденция к взаимному уничтожению бесконечных членов — отрицательные бесконечности от гравитинных петель компенсируются положительными бес конечностями от гравитонных петель. По существу бесконечности “насмерть” суперсимметризуют друг друга.

С первых шагов супергравитации возник единственный острый вопрос: окажется ли суперсимметрия достаточно широкой, чтобы обеспечить перенормируемость супергравитации? Ответить на этот вопрос было нелегко. Супергравитация открывает широкое поле деятельности, привлекающее внимание десятков теоретиков, ежегодно по супергравитации публикуются сотни статей. Ее математический аппарат стал настолько сложным, что за исключением узкого круга посвященных найдется немного людей, которые понимают значение того или иного символа. В моем отделе работает один специалист по супергравитации, и обычно даже неполный расчет занимает у него стопку бумаги толщиной 10 см. Ведь как ни просты и ни изящны математические основы теории, проверка деталей может оказаться достаточно кропотливой.

Из-за сложности и громоздкости вычислений пока еще не удалось ответить на вопрос о перенормируемости супергравитации, но и то, что сумели установить теоретики, выглядит весьма ободряюще. По-видимому, супергравитация не просто позволит достичь перенормируемости, при которой расходимости в теории сохраняются, но их удается обойти с помощью того или иного математического приема. В супергравитации, очевидно, делается попытка получить конечные результаты. По крайней мере во всех выполненных до сих пор вычислениях окончательные результаты неизменно оказывались конечными. Существует твердое убежде

ние, что в супергравитации удалось, наконец, искоренить расходимости, от которых теория поля страдала на протяжении по крайней мере двух поколений ученых.

В то время, когда я писал эту книгу, разработка единой теории существенно продвинулась вперед, и смутно обозначились контуры полной теории, хотя до ее экспериментальной проверки все еще очень далеко. Подобно многим заманчивым образам единая теория может оказаться миражом, но впервые за всю историю науки у нас складывается представление о том, как будет выглядеть законченная научная теория всего сущего.