Портал функционирует при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

На пороге новой теории

Академик И. Тамм.

Очень трудно вкратце рассказать о современном состоянии и перспективах физики элементарных частиц в этой области совершаются все новые, и новые открытия, иногда предсказанные, иногда совершенно неожиданные, происходит бурное возникновение новых идей, новых представлений.

Игорь Евгеньевич Тамм - физик, академик. Горой Социалистического Труда. Основная область исследовании - квантовая механика, теория ядра, теория элементарных частиц. В 1958 году удостоен Нобелевской премии по физике (совместно с И. М. Франком и П. А. Черен

Я буду говорить в основном об экспериментальных открытиях и их толковании. Но начну с того, что кратко расскажу о положении в теории.

В конце прошлого, и в начале этого века было широко распространено представление о том, что мы уже познали основные законы природы и остается только применять их к новым явлениям. Даже такой крупный физик, как Кельвин, в своей речи, приуроченной к началу нашего столетия, сочувствовал последующим поколениям физиков, сказав, что на их долю не осталось ничего существенного. Правда, он проявил прозорливость, указав, что на ясном горизонте физики имеются лишь два маленьких облачка одно - связанное с опытом Майкельсона, а другое - с равновесным тепловым излучением света. Из одного "облачка" вскоре выросла теория относительности, а из другого-квантовая теория.

На опыте этих новых, революционных теорий мы поняли, что развитие науки не имеет предела. Сущность в том, что наши понятия, и представления не априорны, а являются результатом анализа, квинтэссенцией человеческого опыта. Такой анализ позволяет нам создать понятия, представления, теории, адекватные известному нам кругу явлений. Но каждый раз, когда мы проникаем в существенно новую область физических явлений, будь то область очень высоких скоростей (специальная теория относительности и космология) либо микрокосм, мир атомов, и элементарных частиц (квантовая теория), нам приходится кардинально менять сложившиеся понятия и представления.

Это отнюдь не означает, что предыдущие представления каждый раз отметаются. Наоборот, они остаются полностью справедливыми для той области явлений, на основе изучения которой возникли. Однако прежние теории, ранее считавшиеся универсальными, оказываются имеющими лишь определенную, ограниченную область применимости. Более того, они содержатся в качестве частного случая в новых, более общих теориях, причем последние точно указывают область их применимости. Например, механика Ньютона останется навсегда применимой к медленно движущимся сравнительно со светом макроскопическим телам, и она вытекает в качестве частного случая как из теории относительности, так и из квантовой механики.

В последнее время у физиков становится все более явным ощущение, что мы находимся накануне фундаментальной революции в теории, которая приведет к не менее серьезному пересмотру представлений, и понятий, чем это было сделано теорией относительности и квантовой теорией.

Такое убеждение основывается на двух обстоятельствах. Прежде всего современное состояние релятивистской квантовой теории явно неудовлетворительно. В этом она резко отличается от нерелятивистской квантовой теории, в которой речь идет о не очень больших скоростях, и энергиях. Нерелятивистская квантовая теория - абсолютно прозрачная, последовательная, законченная теория, которая так же незыблема в своей области применимости, как для макроскопических явлений, не связанных с большими скоростями, незыблема теория Ньютона. Но, когда мы переходим к большим энергиям, к очень малым пространственным масштабам, оказывается, что современной теории уже недостаточно, что она внутренне непоследовательна.

Приведу пример. При вычислении в соответствии с релятивистской квантовой теорией любой конкретной величины, например, длины волны излучения или массы частицы, получается бесконечность, то есть абсурд. Правда, мы имеем весьма остроумный рецепт, как из бесконечности вычесть другую бесконечность, чтобы оставшаяся конечная разность их точно соответствовала эксперименту. И в ряде случаев действительно получается прекрасное согласие с измерениями - с точностью до пяти знаков. Но, во-первых, это не универсальный способ есть случаи, когда такие методы неприменимы, а во-вторых, в теорию приходится вводить принципиально не наблюдаемые величины, и притом так, чтобы они не входили в конечный результат. Совершенно необходимо построение новой, последовательной теории, свободной от этих недостатков.

Ряд обстоятельств приводит к убеждению, разделяемому, по-видимому, большинством физиков, в частности мною, что на новом этапе квантовой теории существенную роль будет играть расширенный принцип неопределенности. Современная квантовая механика основана на принципе неопределенности между координатой, и импульсом частицы, то есть произведением ее массы на скорость. Часто этот принцип формулируют так хотя порознь координату и импульс частицы можно измерить сколь угодно точно, но одновременно этого сделать нельзя. Вернее, суть не только в измерении - сама частица не может находиться в состоянии, в котором, и ее координаты и ее импульс имели бы точно определенные значения. Таким образом, дело не в ограниченности нашего познания, а в том, что классические понятия - частица, волна - слишком узки, что элементарная частица более богата содержанием. Нет классического объекта, который одновременно обладал бы свойствами, и частицы, и волны, а элементарная частица одновременно обладает этими свойствами. И естественно, что обычные наши представления к ней неприменимы.

Так обстоит дело в существующей квантовой теории. Есть все основания думать, что на новом этапе теории станет неопределенным само понятие координат частицы. Другими словами, точное одновременное определение всех трех координат положения частицы окажется принципиально невозможным, и наши обычные пространственные представления станут неприменимы в области ультрамалых масштабов.

Вопрос о построении новой теории крайне актуален. В каком направлении пойдет её развитие - пока совершенно неизвестно, поскольку выдвигается и исследуется очень много различных идей. У каждого работающего в этой области есть своя излюбленная дорожка. Я сам последние полтора года запоем работаю над увлекшей меня идеей, работаю с переменным успехом. Может случиться, и так (это бывало в истории науки), что направления, которые кажутся сейчас резко различными, синтезируются впоследствии в единую общую картину. Мы не знаем, когда это произойдет, но, повторяю, необходимость в создании такой теории назрела. Я не согласен с американским теоретиком Дайсоном, который сравнительно недавно высказал предположение, что это произойдет только в следующем, XXI столетии. Трудности построения новой теории, которая должна включить в себя как частный случай все, что нам известно до сих пор, очевидны. Тем не менее Дайсон не учитывает экспоненциального роста науки в наше время, не учитывает, что все большее количество людей занимается физикой. Эйнштейн - редкая флюктуация, но на фоне чрезвычайно возросшего сейчас числа специалистов появление нового гения становится гораздо более вероятным.

Перейду теперь к экспериментальным открытиям в физике элементарных частиц. Прежде всего краткое историческое введение.

Когда я начинал заниматься физикой, было известно всего два элементарных кирпича мироздания - электрон и протон, из которых, как считали, построены все тела, и только два вида сил - силы тяготения и электромагнитные, на основе которых объяснялись все явления природы. Просто, ясно, и хорошо. Но скоро эта простая картина начала нарушаться. С начала 30-х годов стал быстро расти поток открытий так называемых элементарных частиц. Достаточно сказать, что за последние пять лет число их выросло с 32 примерно до 200, и, без сомнения, эта цифра будет быстро увеличиваться.

Таким образом, перед нами раскрывается совершенно новый мир, требующий изучения. При этом весьма существенно, что почти каждое открытие новой частицы было связано с открытием принципиально нового круга физических явлений.

Первыми были найдены нейтрон и позитрон. Позитрон - античастица по отношению к электрону, он во всем подобен ему, за исключением того, что обладает положительным, а не отрицательным электрическим зарядом. При соударении электрона с позитроном (как, и при соударении любой частицы с соответствующей ей античастицей] может произойти их аннигиляция, то есть исчезновение частиц, причем их энергия превращается в другие формы, например, в излучение.

Предсказание о существовании позитрона вытекало из теории Дирака. Сейчас такие понятия, как античастица, антивещество, аннигиляция, широко известны, но в те времена предположение о существовании античастиц представлялось столь парадоксальным, что, как одно время считал сам Дирак, этот вывод из его теории указывал на ее несостоятельность. Но позитрон был экспериментально обнаружен, и его свойства оказались в полном соответствии с предсказаниями теории.

Тогда же, в начале 30-х годов, было открыто кажущееся нарушение закона сохранения энергии в радиоактивном распаде, и некоторые физики, исходя из этого факта, пытались перестроить теорию. Но вскоре выяснилось, что закон сохранения энергии не нарушается, а попросту часть энергии уносит излучаемая при радиоактивном распаде ранее неизвестная элементарная частица - нейтрино.

Надо сказать, что обнаружить и исследовать нейтрино чрезвычайно трудно, поскольку оно крайне слабо взаимодействует с другими частицами. Можно привести такой пример. Даже если нейтрино, обладающее максимальной энергией, которая может быть получена с помощью современных ускорителей, пройдет сквозь всю толщу Земли, то вероятность того, что оно хотя бы один раз прореагирует по пути с какой-либо частицей, равняется всего 1/250 000

Следовательно, для того чтоб заведомо произошло поглощение такого нейтрино, нужно сделать экран, состоящий из четверти миллиона земных шаров, поставленных друг за другом.

Несколько лет назад было сделано еще одно очень интересное открытие оказалось, что существуют два различных вида нейтрино. Один вид взаимодействует только с электроном, а другой-только с мюмезоном. Для того чтобы это обнаружить, пришлось построить очень сложные, точные аппараты - искровые камеры весом в 25 тонн.

Сейчас нейтринная физика приобретает все большее значение в астрономии. Во-первых, есть основания думать, что значительная часть всей массы, и энергии Вселенной находится в состоянии нейтрино, ибо нейтрино, раз возникнув, очень долго путешествует по Вселенной, прежде чем будет поглощено и перейдет в другую форму энергии. Во-вторых, изучение нейтрино может дать нам информацию о явлениях, происходящих внутри Солнца, и других звезд при ядерных реакциях, служащих источником энергии звезд и происходящих в их глубинах, излучаются нейтрино, которые благодаря своей громадной проникающей способности, почти не поглощаясь, проходят сквозь толщу Солнца или звезды наружу, и несут с собой информацию о характере породивших их реакций.

В тот же период - 30-е годы - были открыты и мезоны - "промежуточные" частицы, более легкие, чем протон, но более тяжелые, чем электрон. При этом произошла драматическая история. Дело в том, что мезон был теоретически предсказан японским физиком Юкавой в 1935 году как частица, которая связана г взаимодействием ядерных частиц в таком же смысле, в каком фотон связан с взаимодействием электрически заряженных частиц. В 1937 году была действительно открыта частица с массой, соответствующей оценкам Юкавы. Казалось, теория торжествовала. Но вскоре возникло недоумение, так как обнаруженные в космических лучах мезоны очень слабо взаимодействовали с ядрами атомов, что противоречило исходным положениям теории. Это был парадокс, который всячески пытались объяснить. В конце концов оказалось, что в 1937 году был действительно открыт мезон, но не тот. Этот мезон, получивший название мю-мезона, не имеет отношения к ядерному взаимодействию. И только в 1947 году был обнаружен так называемый пи-мезон, свойства которого действительно соответствуют предсказаниям теории. Затем последовал цикл новых открытий, и неожиданностей, на которых я не могу останавливаться.

В 1956 году было обнаружено несохранение четности. Смысл этого малопонятного выражения в следующем. Всегда казалось очевидным, что отличие между "правым" и "левым" чисто условное, пояснить его можно, только сославшись на собственные руки, никакого объективного значения оно не имеет. И если наблюдать движение тел в зеркале, то переход от правого к левому ничего в законах движения не изменит. Но неожиданно оказалось, что это не так. Например, электрон, который всегда вращается вокруг собственной оси (спин-вращение), при бета-распаде, то есть при радиоактивном распаде атомного ядра, вылетает из ядра всегда в таком состоянии, что ось его вращения противоположна направлению его движения. Это значит, что если смотреть на излученный при бета-распаде электрон по направлению его движения, то он всегда вращается справа налево. Это открытие вызвало ряд парадоксальных предположений, пока Л. Д. Ландау не предложил свою известную гипотезу комбинированной инверсии, сводящуюся к тому, что различие между правым, и левым связано с различием между миром, состоящим из обычных элементарных частиц, и антимиром, состоящим из античастиц.

Различие между левым, и правым чисто условно (ведь левое можно назвать правым и наоборот], и так же условно различие между миром и антимиром. Электрону с отрицательным электрическим зарядом соответствует в антимире античастица - позитрон с положительным зарядом, но ведь различие между положительными, и отрицательными зарядами тоже условно, и их можно переименовать. Гипотеза комбинированной инверсии сводится к утверждению, что все законы природы остаются неизменными, если перейти не просто к зеркальному изображению (при котором правое, и левое взаимозаменяются) или к антимиру, но одновременно от правого к левому и от вещества к антивеществу.

Результаты экспериментального изучения свойств различных античастиц оказались в полном соответствии с гипотезой комбинированной инверсии. Правда, в 1964 году были получены новые данные, подвергающие ее сомнению. Эксперименты эти очень тонкие, и требуют дальнейшей проверки. В связи с ними сейчас в литературе появился целый поток самых разнообразных предположений и соображений, авторы которых пытаются теоретически осмыслить полученные результаты, вплоть до предположения о существовании так называемого пятого взаимодействия, то есть исключительно слабых сил, создаваемых галактиками за счет имеющихся в них "странных" частиц. По-видимому, самые последние экспериментальные данные (еще не опубликованные) опровергают некоторые следствия, вытекающие из предположения о существовании таких сил. Но за короткое время появилось очень много различных гипотез, и невозможно предвидеть, какая из них в конечном счете окажется правильной.

Я позволю себе высказать по этому поводу свое личное мнение. Естественно, сейчас сопоставляют возможное нарушение комбинированной инверсии, чаще называемой физиками СР-четностью, с тем нарушением четности, о котором я говорил выше и которое, несомненно, имеет место. Может быть, нарушение CP-четности, и является фундаментальным фактом. Но я лично склонен думать, что такое нарушение правильнее сопоставить с обнаруженным около 35 лет назад и опровергнутым впоследствии нарушением закона сохранения энергии при радиоактивном бета-распаде, о котором я уже упоминал. В конце концов выяснилось, что энергия сохраняется, но при бета-распаде излучается нейтрино, ранее неизвестная частица. Возможно, что, и закон комбинированной инверсии в конечном счете окажется незыблемым.

Надо отметить, что и это предполагаемое нарушение CP-четности, так же как, и несомненно имеющее место несохранение обычной четности, проявляется только в так называемых слабых взаимодействиях. Дело в том, что сейчас, помимо тех сил, которые были известны давно,- сил тяготения и электромагнитных, нам стали известны два принципиально новых класса сил. Одни из них - так называемые сильные взаимодействия. Это, в частности, те ядерные силы, которые удерживают нейтроны, и протоны в атомном ядре. При малых расстояниях они в сотни раз сильнее, чем электромагнитные, и не были обнаружены вплоть до недавних лет просто потому, что очень быстро (экспоненциально) уменьшаются при увеличении расстояния между взаимодействующими частицами.

Другой класс - слабые взаимодействия. Они примерно в 1014 раз слабее сильных. Эти взаимодействия обусловливают явления распада частиц, прежде всего радиоактивный распад атомных ядер, и элементарных частиц.

Замечу мимоходом, что, по некоторым предположениям, так называемые слабые взаимодействия могут играть фундаментальную роль и лежать в основе вообще, всех физических взаимодействий. Эти предположения связаны с тем, что обычные рецепты устранения бесконечностей из современной квантовой теории к слабым взаимодействиям неприменимы. Однако пока это только предположения. Во всяком случае, несохранение четности, то есть неравноправие правого, и левого, имеет место только при слабых взаимодействиях. В электромагнитных и сильных взаимодействиях, а также в явлениях, связанных с тяготением, это равноправие никогда не нарушается.

Другое нарушение, характерное только для слабых взаимодействий, - нарушение так называемой странности. Дело в том, что в физику пришлось ввести новое понятие - странность частицы. Это было связано с наблюдениями рождения элементарных частиц. Оказалось, что некоторые сорта частиц никогда не рождаются поодиночке, а всегда парами. Это аналогично тому, что благодаря закону сохранения электрического заряда в акте соударения не может никогда родиться одна заряженная частица всегда положительно заряженная частица рождается совместно с отрицательно заряженной, так что суммарный электрический заряд остается неизменным. По аналогии с этим, и было введено новое квантовое число - странность. Те частицы, которые рождаются парами, обладают отличной от нуля странностью; частица со странностью 1 рождается совместно с частицей со странностью -1, так что суммарная странность частиц остается неизменной. Это сохранение странности имеет место при всех взаимодействиях, кроме слабых, в которых нарушаются и четность, и странность.

Приведенные примеры показывают, как в последнее время открытие почти каждой новой элементарной частицы влекло за собой выявление новых фундаментальных законов природы. Напомню еще раз, что число известных элементарных частиц растет чрезвычайно быстро. Очевидно, в связи с этим само понятие "элементарность" потеряло свой первоначальный смысл. Сейчас мы не можем отличить истинно элементарных частиц от составных. Поэтому я старался пореже употреблять слово "элементарные", так как неизвестно, что именно элементарно. Пока еще нельзя указать определенного критерия элементарности частицы. Казалось бы естественным выделить устойчивые, стабильные частицы, которые могут превращаться в другие частицы только при соударениях, а все самораспадающиеся, нестабильные частицы считать неэлементарными. Однако стабильных частиц очень мало - всего четыре вида, и из них никак нельзя построить все другие частицы.

Дело в том, что стабильными являются лишь те частицы, которые по законам сохранения не могут распасться на более легкие. Стабильных частиц, обладающих массой покоя, только две - протон, и электрон. Электрон не может распасться потому, что это легчайшая из всех частиц, обладающих электрическим зарядом, и она не может превратиться в другие частицы без нарушения законов сохранения энергии, и заряда. Подобно этому, протон - легчайшая из частиц, обладающих так называемым ядерным, или барионным, зарядом. Как электрическим зарядом определяются электрические силы взаимодействия частиц, так ядерным зарядом определяются ядерные силы. И, поскольку существует закон сохранения ядерного заряда, протон не может распасться. Кроме протона и электрона, стабильны фотон, и два вида нейтрино, у которых масса покоя равна нулю, поэтому ни на что более легкое они распасться не могут.

Все остальные частицы нестабильны они самопроизвольно распадаются. Но считать, что они построены из тех частиц, на которые могут распасться, то есть что возникающие при их распаде частицы в них предсуществуют, невозможно. В ряде случаев эти вновь рожденные частицы, безусловно, возникают в самом акте распада. Достаточно отметить, что многие виды частиц могут распадаться не каким-либо одним определенным образом, а по-разному. Например, при распаде заряженного пимезона может родиться либо мю-мезон вместе с нейтрино, либо нейтральный пимезон вместе с позитроном и нейтрино, причем нейтральный пи-мезон сам в дальнейшем распадается на два гамма-кванта. Какие же из этих частиц предсуществовали в ли-мезоне!

Можно провести некоторую аналогию между рождением новых частиц в акте распада нестабильной частицы или например, рождением фотонов, излучаемых электроном при соударении его с другими частицами или при отклонении его магнитным полем.

Мы уже привыкли к тому, что элементарные частицы в большинстве своем нестабильны, но еще более малым временем жизни отличаются частицы нового класса, впервые открытые в конце 1960 года, и получившие название резонансов.

Действительно, те нестабильные частицы, которые были известны раньше, имеют разные времена жизни, начиная от 17 минут для свободного нейтрона и до 10-16 секунд для нейтрального пи-мезона. Но так называемые резонансы обладают гораздо меньшими временами жизни - порядка 10-23 секунд. Однако даже за такое малое время жизни можно не только экспериментально обнаружить резонансы, но, и изучить некоторые их свойства. Вместе с тем, несмотря на резкую разницу во времени жизни, не удается найти никакого принципа, который позволил бы отличать элементарные частицы от неэлементарных на этой основе.

В последнее время, особенно в 1964 году, чрезвычайно широко стало развиваться новое направление - так называемое изучение симметрий частиц, которое пытается внести порядок в открывшийся перед нами мир частиц, найти в нем закономерности. Основываются эти исследования на применении методов математической теории групп.

Не входя в детали, очень коротко расскажу, в чем тут дело.

В этих исследованиях изучается не движение частиц в пространстве, а их, так сказать, внутренние свойства, например, заряд, масса и т.п. При этом рассматриваются только сильно взаимодействующие частицы, то есть все вновь обнаруженные частицы, за исключением второго вида нейтрино.

Эти частицы могут быть электрически заряженными или незаряженными, они могут обладать или не обладать ядерным (или барионным) зарядом, обусловливающим ядерное взаимодействие, они могут обладать или не обладать странностью, о которой я упоминал выше. Кроме того, существенное значение имеет так называемый изотопический спин частицы. Каким же образом применяется понятие симметрии к свойствам частиц! Чтобы пояснить это, я обращаюсь к другим, хорошо известным свойствам симметрии частиц, относящимся не к изотопическому, а к обычному, или так называемому угловому, спину.

Сначала об орбитальном моменте. Наглядно (правда, крайне упрощенно) можно представить, что электрон, например, в атоме водорода движется по определенной круговой или эллиптической орбите. В отсутствие внешних полей ориентация орбиты электрона, то есть направление оси его вращения, конечно, совершенно произвольна. При наличии же внешнего магнитного поля направление оси вращения электрона, движущегося по данной орбите, зависит от ориентации оси орбиты относительно магнитного поля. По законам квантовой механики ось вращения может быть направлена только под некоторыми, точно фиксированными углами к магнитному полю. Например, когда орбитальный момент вращения электрона равен 1 (если его выразить в некоторых рациональных единицах измерения), то возможны только три ориентации оси вращения по полю, противоположно направлению поля, и перпендикулярно полю. Если момент вращения равен 2, то возможны пять различных ориентаций и т. д. Поскольку энергия электрона зависит от угла между направлением оси его вращения, и направлением магнитного поля, то в результате энергетический уровень электрона расщепляется на несколько близких уровней, число которых равно числу возможных направлений оси вращения. Этим и объясняется эффект Зеемана - расщепление в магнитных полях спектральных линий света, излучаемого атомами, и молекулами.

Аналогичное расщепление уровней связано и со спином электрона. Наглядно спин можно себе представить как вращение частицы вокруг некоторой оси, проходящей через ее центр (подобно суточному вращению Земли). Спином обладают многие элементарные частицы - электрон, протон, нейтрон, и т. д. Существенно, что величина спина, то есть момент внутреннего вращения (или, грубо говоря, скорость этого вращения), имеет строго определенное и неизменное значение для каждого сорта частиц.

Подобно моменту орбитального движения, спин электрона также может быть ориентирован по отношению к внешнему полю только строго определенным образом, а именно либо по полю, либо противоположно ему. Так как энергия электрона зависит от ориентации его спина по отношению к внешнему магнитному полю, то в магнитном поле каждый энергетический уровень электрона соответственно расщепляется на два близких уровня.

Для дальнейшего существенно, что расщепление энергетического уровня на систему близких друг к другу подуровней (так называемое расщепление мультиплетов) не только происходит под воздействием внешних полей, но может обусловливаться, и некоторыми типами взаимодействия частиц. Например, так называемое спин-орбитальное взаимодействие электрона и протона в атоме водорода, которое очень слабо, и в первом приближении не учитывается теорией, приводит к так называемой сверхтонкой структуре спектра водорода.

Я напомнил эти известные факты потому, что в новых теориях симметрии элементарных частиц для описания их внутреннего строения используются аналогичные методы. Упоминавшийся выше изотопический спин никак не связан с обычным спином, характеризующим внутреннее вращение частиц, и вообще не имеет отношения к реальному пространству - это вектор в некотором вспомогательном пространстве. Однако он подобен обычному спину в том отношении, что может быть ориентирован в изотопическом пространстве только в нескольких строго фиксированных направлениях, и что внутренняя энергия частицы зависит от ориентации ее изотопического спина. Как и в случае обычного спина, это приводит к расщеплению возможных состояний частицы на систему близких друг к другу подуровней. В результате получаются мультиплеты, или группы элементарных частиц, относительно близких друг к другу по внутренней энергии (по массе), причем расщепления уровня, то есть разницы масс частиц, входящих в один мультиплет, имеют строго определенные значения. Возможные значения других параметров, характеризующих внутреннее состояние частицы, например, ее электрического, и барионного зарядов, странности и т. д., систематизируются аналогичным образом, и также могут быть вычислены для всех частиц, входящих в состав одного мультиплета.

Такова в самых общих чертах структура современных теорий симметрии элементарных частиц. В великом многообразии этих частиц удалось выделить ряд мультиплетов, объединяющих близкие по своим свойствам частицы, причем в некоторых случаях вычисленные значения разниц масс частиц, входящих в один и тот же мультиплет, их электрических зарядов, магнитных моментов, и т. д., оказались в прекрасном согласии с опытом.

Одну группу известных частиц удалось, например, объединить в декаплет, то есть в мультиплет, состоящий из десяти частиц. Но было известно только девять членов этого декаплета, не хватало десятого. Были предсказаны его существование и свойства, в частности масса его была оценена в 1652 Мэв. И вот в 1964 году эта частица, получившая название "омега минус", была действительно обнаружена экспериментально, причем ее масса совпала с предсказанным значением с точностью до 0,1 процента!

Таким образом, уже удалось внести некоторый порядок в многообразие элементарных частиц. Мы, несомненно, ухватили некоторое зерно истины. В этом направлении идет буквально лихорадочная работа, новые идеи, и гипотезы возникают ежемесячно, но мы пока очень далеки от окончательного решения проблемы систематики частиц.

Я упомяну еще в качестве примера о некоторых гипотезах, предложенных в рамках применения метода групп и теории симметрии.

Три года назад на всех произвела большое впечатление выдвинутая известным американским физиком Гелл-Манном, и одновременно и независимо немецким физиком Цвейгом теория кварков. Что означает это слово, никто понять не мог. Оказалось, что оно заимствовано из фантастического романа Джойса. И это не случайно, так как гипотетическим подлинно элементарным частицам - кваркам - приписываются довольно-таки фантастические свойства. Авторы этой теории предполагают, что каждая сильно взаимодействующая частица состоит из трех кварков, каждый из которых обладает большой массой. Благодаря очень сильному взаимодействию кварков при их соединении в частицу выделяется очень большая энергия, и масса частицы оказывается меньше массы исходных кварков на величину, пропорциональную количеству выделившейся энергии. Парадоксально то, что кваркам приходится приписать дробный электрический заряд, равный одной трети или двум третям заряда электрона, и эти заряды могут быть как отрицательными, так, и положительными. Дробных электрических зарядов мы никогда не наблюдали в природе - заряды любой частицы всегда составляют целое кратное заряда электрона (или протона).

Не исключено, что кварки действительно существуют. Чтобы их обнаружить, были поставлены эксперименты на ускорителях, но в пределах достижимых на них энергий ничего найти не удалось. Возможно, таких энергий недостаточно для того, чтобы раздробить известные нам частицы на составляющие их кварки.

Сейчас американские и советские ученые начинают искать кварки на поверхности Земли. Ведь наша планета подвергалась облучению космическими лучами на протяжении миллиардов лет. При этом благодаря большим энергиям космических лучей некоторое количество известных нам частиц должно было раздробиться на кварки. Правда, обнаружить эти кварки, даже если они действительно существуют, очень трудная задача.

Хотя теория кварков позволяет объяснить ряд закономерностей в свойствах элементарных частиц, она все еще носит крайне гипотетический характер.

Существуют, и другие конкурирующие с ней теории, в частности тоже постулирующие существование подлинно элементарных частиц, из которых построены все остальные, но так, чтобы отпала необходимость приписывать этим частицам дробный электрический заряд. С этой целью вводят, например, новую внутреннюю степень свободы частицы и соответствующее ей новое квантовое число, получившее название "шарм" [по-русски - "очарование", "волшебство"). В такой "очаровательной" теории элементарные частицы типа кварков обладают целыми электрическими зарядами. Однако эти теории сталкиваются с рядом трудностей, которые пока не удалось преодолеть.

Упомяну еще об одном интенсивно развивающемся направлении поисков, имеющих своей целью создание теории, которая объединила бы уже достигнутые успехи в анализе закономерностей, относящихся ко внутренним степеням свободы частицы, с релятивистскими законами ее движения в пространстве. Подобное объединение совершенно необходимо, поскольку существуют непосредственные связи между внутренними степенями свободы частицы, и ее движением в пространстве. Они проявляются, например, в так называемом спин-орбитальном взаимодействии между спином частицы [внутренняя степень свободы] и ее движением по орбите, то есть в пространстве.

Интересна в этом отношении работа В. Г. Кадышевского, выполненная им совместно с рядом других физиков Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Есть интересная мысль, и у академика В. Л. Гинзбурга. Мы с ним еще в 1944 году разработали релятивистскую теорию частиц, обладающих внутренними степенями свободы. Она оказалась довольно сложной, и было неясно, к чему ее приложить. А сейчас внутренние степени свободы частиц приходится увязывать с релятивистскими требованиями, и некоторые наши результаты могут оказаться полезными.

Заканчивая, я хочу отметить, что в настоящее время направление, связанное с анализом симметрии частиц и применением методов теории групп, пользуется очень большой популярностью, и привлекло значительное число теоретиков. Несомненно, это очень важное и нужное направление, но оно все-таки носит феноменологический характер. Здесь, по моему мнению, можно провести аналогию с периодической системой Менделеева. Она сыграла исключительно важную роль в химии, и физике, без нее их развитие было бы невозможно. Но Менделеев создал ее на основании общей систематики химических свойств атомов, не понимая механизма, который лежит за этой систематикой. Такое понимание было достигнуто лишь полвека спустя оно пришло с квантовой механикой, которая раскрыла строение атомов и объяснила периодичность их свойств.

Теории симметрии элементарных частиц находятся сейчас на той же стадии, что, и периодическая система элементов Менделеева, когда велись ее поиски. Сегодняшние исследования отнюдь не решают фундаментальной проблемы понимания законов явлений, протекающих в ультрамалых масштабах и при экстремально высоких энергиях. Именно эти законы, несомненно, лежат в основе симметрии частиц, и они будут поняты только после преодоления трудностей современной теории и появления новой физической теории, которую мы все так ждем.

Когда создавалась квантовая теория, критерием ее правильности была возможность объяснить спектр водорода. Только после того как Бор дал вытекавшую из его теории формулу для водородной серии Бальмера, все поверили' в эту теорию, которая стала затем чрезвычайно быстро развиваться. Мне кажется, аналогично критерием правильности новой физической теории будет возможность, исходя из общих принципов, объяснить многообразие так называемых элементарных частиц.

В заключение я хотел бы еще раз подчеркнуть, что физика элементарных частиц - исключительно тонкая, и трудная в экспериментальном отношении область, требующая чрезвычайно высокой техники эксперимента. Достаточно вспомнить уже упоминавшиеся мной трудности исследования нейтрино, обладающих колоссальной проникающей способностью. В качестве второго примера я приведу работу Ю. Д. Прокошкина и его группы, имеющую большое значение для теории слабых взаимодействий.

Открытие несохранения четности привело к построению универсальной теории слабых взаимодействий. Эта теория универсальна потому, что, во-первых, почти все частицы обладают слабым взаимодействием, и могут распадаться, а во-вторых, в нее входит одна-единственная универсальная константа.

Очень важно было экспериментально подтвердить вытекающее из теории предсказание о распаде пи-мезона. Распад пи-мезона на мю-мезон и нейтрино был хорошо известен. Но теория предсказывала, что наряду с ним должен иметь место также распад заряженного пи-мезона на нейтральный пи-мезон, позитрон, и нейтрино. Обнаружить этот новый тип распада было крайне трудно, так как он происходит в 50 000 000 раз реже, чем распад на мю-мезон и нейтрино. Чтобы оценить всю сложность задачи, надо еще учесть, что жизнь самого пи-мезона до его распада длится всего лишь две стомиллионные доли секунды. Группе физиков, возглавляемой Ю. Д. Прокошкиным, удалось не только обнаружить новый тип распада, но, и измерить его количественно, выявить экспоненциальную зависимость его от времени и т. д.

Естественно, что для таких экспериментов требуется высококачественное техническое оснащение. В частности, в последнее время все большее значение приобретает применение специализированных электронных вычислительных машин для обработки результатов наблюдений. Приведу пример. В 50-х годах очень большую роль в развитии физики элементарных частиц сыграла серия замечательных фотографий, сделанных на ускорителе в Калифорнии Альваресом, и его группой (в частности, они впервые экспериментально изучили свойства так называемых К-мезонов, казавшиеся тогда чрезвычайно парадоксальными). Однако анализ снимков, обнаружение среди них громадного количества тех немногих случаев, когда частица распадается интересующим исследователей образом, занимали колоссальное время. Поэтому обработку снимков пришлось проводить не только очень большой группе сотрудников лаборатории в Калифорнии и не только в других американских лабораториях, но, и в лабораториях многих стран Европы [Италии, Англии, Франции, Польши, Нидерландов], куда часть снимков была разослана и где их коллективная обработка продолжалась в течение 4-5 лет после того, как сам эксперимент на ускорителе был закончен. Сейчас за границей при ускорителях имеются мощные специализированные вычислительные машины, на которые непосредственно поступают данные наблюдений, и которые почти сразу выдают результаты их обработки. Ждать 4-5 лет сейчас невозможно.

Если бы даже физика элементарных частиц не сулила никаких практических приложений, познавательный интерес этой области науки настолько велик, что полностью оправдывает затраты труда и средств на ее развитие. Ведь мы находимся на пороге нового этапа познания фундаментальнейших законов природы, которые не только охватят вновь открывающийся перед ними круг явлений, но включат в себя в качестве частного случая все, что нам известно доныне.

Однако, несомненно, можно рассчитывать, и на практические приложения новой физики. Правда, многие как у нас, так и за границей проявляют в этом отношении пессимизм, и противопоставляют ядерную физику, которая привела к имеющему огромное практическое значение освоению атомной энергии, физике элементарных частиц и высоких энергий, не сулящей, по их мнению, никаких выходов в практику. 51 с этим совершенно не согласен. Вся история развития науки показывает, что овладение всякой новой областью явлений природы всегда приводит к практическим применениям, часто совершенно неожиданно. Напомню, что когда Герц, проверяя предсказания теории Максвелла, впервые экспериментально обнаружил электромагнитные волны, его спросили, не могут ли эти волны быть применены для практических целей. Герц ответил "Нет, они никогда никакого практического значения иметь не будут". А уже через 5-6 лет первая, правда, примитивная, беспроволочная связь была осуществлена. То же произошло, и с проблемой ядерной энергии. Ведь еще в 20-х годах нашего века многие крупные ученые, даже такие выдающиеся, как Резерфорд, отрицали возможность того, что когда бы то ни было ядерная энергия будет использоваться человеком.

Мы не можем предсказать сейчас, к каким именно практическим результатам приведет проникновение человека в мкр элементарных частиц, но мы знаем общую закономерность овладение новым кругом физических явлений всегда открывало возможности использования их человеком.

В настоящее время кое-что в этом плане уже намечается. Упомяну только о возможных применениях элементарных частиц в области медицины. Первым, кто занялся разработкой этого вопроса, был английский исследователь Пауэлл, потом этим начали заниматься в Америке, и там, по-видимому, уже получены крупные результаты. Речь идет об облучении злокачественных опухолей, и других вредных образований в организме. При облучении опухоли рентгеновскими лучами они неизбежно, и притом весьма сильно, поражают также здоровые ткани тела, окружающие опухоль. Это вредно и, кроме того, ограничивает допустимые дозы облучения.

Пауэлл предложил употреблять вместо рентгеновских лучей пи-мезоны. Заряженные пи-мезоны в отличие от рентгеновских лучей обладают довольно определенной длиной пробега. В любой данной среде длина пробега пи-мезонов определяется их энергией, и, фиксируя ее, можно сделать их пробег равным заданному числу миллиметров, сантиметров или метров. На протяжении своего пути мезоны выделяют сравнительно мало энергии на ионизацию, но в конце пробега останавливаются, и поглощаются ядрами атомов среды, причем в один прием выделяют огромную энергию - вся масса каждого мезона превращается в энергию, и выделяется 140 Мэв энергии на каждый пи-мезон.

Это позволяет "сфокусировать" почти всю дозу излучения в нужном месте, в десятки, и даже в сотни раз усилить облучение больной ткани, не поражая окружающей ее здоровой.

В августе 1964 года на Международной конференции в Дубне один американский физик рассказывал мне, что в США в самое последнее время получены блестящие результаты при лечении заболеваний центральной нервной системы путем облучения совершенно определенного участка коры мозга пучком частиц, полученных на ускорителе.

Другое возможное, чрезвычайно интересное применение элементарных частиц, которое сейчас только обрисовывается,- это использование мю-мезонов в химии. Оно основано на двух фактах. Во-первых, мю-мезоны получаются на ускорителях в поляризованном состоянии. Это значит, что их спин определенным образом ориентирован относительно направления их движения. Во-вторых, если пропустить пучок мю-мезонов через какое-либо вещество, то степень деполяризации пучка будет весьма существенным образом зависеть от химического строения этого вещества. Если в веществе происходит химическая реакция, изменяющая его молекулярное строение, то изменяется и степень деполяризации пучка мезонов, прошедших сквозь вещество. По-видимому, это явление можно использовать для измерения скорости химических реакций. Если при обычных методах на проведение всех экспериментов, необходимых для измерения скорости химических реакций, требуется год-полтора, то с помощью мю-мезонов можно, по крайней мере в ряде случаев, надеяться сделать это за один-два дня.

Я отнюдь не могу ручаться, что приведенные мною примеры возможного практического применения элементарных частиц увенчаются успехом. Но я убежден, что наиболее важные практические применения всегда возникают, и притом часто совершенно неожиданно, в результате каждого крупного продвижения в познании природы.

Что же касается перспектив успеха в этом направлении, то я, повторяю, не верю в предсказание американского физика Дайсона, что мы сможем дождаться новой теории только в следующем столетии. Глубочайшее мое желание состоит в том, чтобы дожить до момента, когда будет создана новая физическая теория, и быть при этом еще в состоянии ее понять.

Читайте в любое время

Другие статьи из рубрики «Архив»

Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее