"Макровзгляд" на микромир

Иногда крайне необходимо иметь возможность увидеть всю картину процесса в целом.

Одного взгляда с самолета достаточно, чтобы в валах, мешающих археологическим раскопкам, угадать погребенные остатки домов. Непонятные полосы, выбитые на камнях мексиканского плоскогорья, с большой высоты слагаются в гигантское изображение птицы.

Работа физиков-теоретиков, перебирающих и ощупывающих каждый экспериментальный факт, очень напоминает начало раскопок чрезвычайно интересного, но непонятного сооружения. Физики уверены, что когда-нибудь и как-нибудь завал будет расчищен. "Правда,- говорит Ф. Дайсон, - мы можем проталкивать только по одному бревнышку за раз, и очень мало какие из них шевелятся, когда мы их толкаем".

Не охваченный теоретической мыслью, непознанный мир элементарных частиц производит "странное" впечатление. Английский философ Ф. Бэкон писал: "Не существует истинно прекрасного без некоторой доли странности". Одна из наших лучших научно-популярных книг - книга Д. Данина - так и называется "Неизбежность странного мира".

А так ли уж неизбежна эта странность?

Давайте оторвемся от детального разглядывания частиц и их поведения и попробуем посмотреть "сверху" на всю груду экспериментальных результатов, охватив единым взглядом этот новый удивительный мир.

"Разве слишком большие нарушения пропорций, странные отклонения от порядка не губят красоты? - спрашивает М. Гелл-Манн. И отвечает: - В течение многих лет одна из главнейших областей физической науки - учение о строении вещества - страдала болезнью странности. Когда физики исследовали вещество на самых малых расстояниях, оно представлялось им как произвольная смесь отдельных элементарных частиц, среди которых нельзя было заметить никакого строгого порядка. Теперь, наконец, картина начинает немного проясняться. Само слово "странность" вошло в словарь физиков, а ее доля уменьшилась настолько, что уже проступает красота упорядоченности".

Такие разные при близком рассмотрении частицы, как протон и нейтрон, становятся совершенно одинаковыми с точки зрения сильных взаимодействий. Введя новое квантовое число "странность", М. Гелл-Манн и А. Нишиджима сумели уложить и странные ка-мезоны в общую схему классификации частиц.

И чем больше деталей удается охватить взглядом, тем все упорядоченней становится казавшийся раньше бесформенным завал экспериментальных результатов.

В начале 1960 года в американском научном журнале появилась статья молодого физика-теоретика Дж. Сакураи. Ее появлению в печати предшествовал период мучительных раздумий автора: печатать или не печатать? Пожалуй, главную роль в положительном ответе на этот вопрос сыграла молодость. Ей было легче преодолеть страхи, испытываемые каждым исследователем, надеющимся достигнуть важных результатов.

"Вы можете подумать, - говорит П.Дирак, - что хороший исследователь оценивает полученный результат совершенно спокойно, без малейшего волнения, рассуждая вполне логично и развивая дальше свою мысль вполне рациональным путем. Это далеко не так. Исследователь - только человек, и если он питает великие надежды, то он испытывает и великие страхи".

Еще до публикации статьи Дж. Сакураи знал об отрицательном отношении к ней коллег по работе. "Не существует частиц, которые ты предсказываешь!" - слышал он от всех. Какой же внутренней уверенности, может быть, даже неосознанной самим автором смелости и решительности потребовал от Дж. Сакураи завершающий шаг! Спорная статья была сдана в печать.

Теоретики встретили ее появление прохладно, многие вообще не обратили на нее внимания. Но совершенно иной была реакция экспериментаторов. Не так уж часто от теоретиков поступали определенные указания. В основном они занимались "раскопками" и обработкой уже полученных результатов.

На крупнейших ускорителях мира были поставлены опыты. И вскоре обнаружились все три типа частиц, описанных Дж. Сакураи. Это были далеко не обыкновенные частицы. Ведь без открытия векторных мезонов, как их назвали, не смогла бы возникнуть идея кварков.

М. Гелл-Манн сказал как-то, что природа проста, если знать, как к ней подойти. Исторически так получилось, что сначала была создана квантовая теория электромагнитных взаимодействий, а затем уже по аналогии с ней возникла теория сильного ядерного взаимодействия. Общение между нуклонами мыслилось по образу и подобию отношений, существующих между заряженными частицами. Электроны обменивались квантами электромагнитного поля - фотонами, а нейтроны или протоны - пи-мезонами. Но кто поручится, что это единственно возможный и правильный подход?

"Наша теория, - говорил Дж. Сакураи, - по-своему напоминает о замечании Р. Фейнмана, что новые идеи надо создавать, задавая вопрос: что было бы, если бы история пошла другим путем".

Путь, предложенный Дж. Сакураи, начинался от той же "печки", что и предыдущий, - от аналогии с электромагнитным взаимодействием.

Любой старшеклассник знает, что электрический заряд- это источник электромагнитного поля, что этот заряд определяет силу взаимодействия между заряженными телами. Но, кроме того, мы знаем, что электрический заряд с огромной точностью сохраняется при любых превращениях материи. И в ядерных реакциях, и при столкновениях элементарных частиц общий электрический заряд частиц до реакции всегда равен заряду всех частиц после реакции. Здесь нет ничего нового. Закон сохранения электрического заряда открыт был давно, и экспериментаторы убеждены в его непоколебимости.

Известный физик-теоретик Е. Вигнер еще в 30-х годах обратил внимание на эту двойственную роль электрического заряда: на то, что такое внутреннее свойство заряда, как его сохранение, проявляется динамически (определяет силу взаимодействия). Ну так же, как характер человека, основа которого - тип темперамента,- заложенная глубоко в генетическом коде, проявляется в повседневном его поведении, в его поступках.

Суть идеи Вигнера, Швингера, Янга, Миллса, Утияма заключалась в том, что сила любого (взаимодействия должна быть связана с сохраняющейся при этом взаимодействии величиной заряда.

В сильных взаимодействиях тоже есть три сохраняющиеся величины; изотопический спин, гиперзаряд и барионный заряд. А что, если и они проявляются динамически в сильных взаимодействиях? Ведь тогда откроется путь к созданию новой теории!

Дж. Сакураи и поставил перед собой задачу посмотреть - не соответствуют ли этим трем сохраняющимся величинам три типа взаимодействий? В результате его исследования выяснилось, что, подобно переносчикам электромагнитного поля - фотонам, в природе должнр существовать три типа векторных мезонов - переносчиков сильного взаимодействия, - которые и были вскоре обнаружены экспериментаторами.

"Если предлагаемая теория окажется верной, - пишет Дж. Сакураи, - то возникнет, естественно, вопрос: не основываются ли все фундаментальные взаимодействия, существующие в природе (электромагнитное, ядерное, слабое, гравитационное), на законах сохранения внутренних свойств?"

Смотрите, какой широкий вырисовывается охват одновременно всех типов взаимодействий! Какая увлекательная возможность дать единый "алфавит" - единую теоретическую основу "многоязычным" взаимоотношениям элементарных частиц! И, что самое главное, возможность эта возникла не в результате применения логически стройных аналитических методов, как это делается при построении квантовой теории поля, а в результате поисков проявления симметрии во взаимодействии между частицами.

"На фоне сотен попыток построить удовлетворительную теорию явлений микромира, - пишет профессор Я. Смородинский, - возник новый метод, новая форма рассуждений, лишенная на первый взгляд четких основ. Этот метод симметрий, оказавшийся очень эффективным в применении именно к тем процессам, для которых старая теория бессильна".

К тому времени М. Гелл-Манн уже несколько лет занимался систематикой элементарных частиц, поиском подходящей точки зрения, с которой можно было охватить взглядом все фундаментальные частицы. Когда появилась статья Дж. Сакураи, он, может быть, более других был внутренне готов к восприятию содержащихся в ней идей. И, несмотря на недоброжелательность основной массы теоретиков, он сразу применил содержащуюся в ней идею к классификации элементарных частиц (восьмеричный путь).

В своих воспоминаниях космонавт В. Севастьянов пишет, что, пролетая над Варшавой, он решил выяснить, что вберет в себя "макровзгляд" из космоса над центром Европейского материка. Он увидел сразу Скандинавский полуостров, Балтику, Ленинград, Адриатику, Черное море, а впереди по курсу - Москву.

Идеи Янга - Миллса - Сакураи позволили бросить "макровзгляд" на мир элементарных частиц и при этом обнаружить его упорядоченность. Все частицы разделились на несколько больших семейств по восемь или десять членов. И в каждом из этих семейств частицы выглядели математически эквивалентными, симметричными друг другу.

А это дает не только эстетическое наслаждение. Найденная "гармония природы" честно служит практическим задачам физики микромира. Благодаря ей впервые удалось вычислить вероятности процессов с участием частиц - членов одного и того же семейства. Проявилась зависимость между такими явлениями, в которых раньше не находили ничего общего.

Закрывая 12-ю Международную конференцию по физике высоких энергий в Дубне (ту самую, на которой ученые впервые услышали об опытах с ка-мезонами), Д. Блохинцев сказал, что мы уже не так далеки от нашей общей цели - открытия новых принципов теории, управляющей миром элементарных частиц. Однако, продолжал он, "скептики могут заметить: да, вы, вероятно, правы, и мы совсем близки к цели, если только едем в правильном направлении...".

Какое из современных направлений, существующих в теории, правильно - сказать пока невозможно. По-видимому, правы те ученые, которые считают, что каждая из конкурирующих теорий содержит долю истины и в известной мере дополняет одна другую.