Артур уиггинс, чарльз уинн пять нерешенных проблем науки рисунки Сидни Харриса

...очертанья грозные событий, Нам предстоящих...

Пер. Т. Гнедич

Физика занимается изучением свойств покоящейся и движущейся материи и различных видов энергии. Связанные с движением свойства (скорость, ускорение и момент наряду с кинетической и потенциальной энергией) нам хорошо известны. А природа самой массы, присущей большинству форм материи, непонятна. И действительно, происхождение массы — крупнейшая нерешенная задача физики.

Масса

Всем нам знакома масса. Это нечто само собой разумеющееся. Мы все обладаем той или иной массой. Масса — виновница того, что легче вытащить застрявший автомобиль, нежели детскую коляску. Благодаря массе сила тяготения удерживает нас на Земле.

Только неясно происхождение массы. Многим, но не всем элементарным частицам Вселенной присуща масса [покоя]. Почему одни обладают ею, а другие — нет? Что «придает» массу тем или иным частицам? Почему масса частиц различается? Отсутствует ли что-то у безмассовых частиц помимо массы? Ответы на эти вопросы, возможно, находятся в так называемых хиггсовых полях, но прежде чем уяснить смысл неуловимых хиггсовых полей, необходимы кое-какие предварительные сведения.

Начнем с того, что масса тела связана с количеством содержащегося в нем вещества, а всем хорошо известно, что составляет вещество: это набор и сочетание атомов. Но что образует атомы? Атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов. Электроны — элементарные частицы (не составные), чего нельзя сказать о протонах и нейтронах. Они образованы из кварков, и, похоже, именно кварки и электроны и есть истинно элементарные частицы.

Прежде чем обратиться к непонятной природе массы, посмотрим, откуда появляются кварки (рис. 2.1). По мере ознакомления с другими элементарными частицами мы увидим, что более элементарными по сравнению с частицами оказываются поля, и изучим самую признанную в физике теорию поля, именуемую стандартной моделью. Затем рассмотрим недочеты стандартной модели: она не определяет источник массы и обходит стороной вопрос тяготения. Наконец, мы исследуем теории, выходящие за рамки стандартной модели, где мог бы быть решен вопрос о происхождении массы.

Чтобы разобраться с кварками, следует обратиться к атомам. Изучение Эрнстом Резерфордом α-частиц привело в начале XX века к открытию ядра (см. гл. 1). Экспериментальные и теоретические изыскания физиков позволили продвинуться вглубь тех кирпичиков, что лежат в основе Вселенной. К 1920 году определились со строением атома, он оказался состоящим из ядра с положительно заряженными протонами и нейтральными нейтронами (хотя в опытах еще не было подтверждено существование нейтронов в то время), вокруг которого обращались электроны.

Целостность этой картины вскоре нарушилась. Для объяснения излучения света нагретыми телами немецкий физик Макс Планк в 1900 году выдвинул предположение, что световая энергия передается в виде порций, названных квантами, а не любым количеством, как думали ранее (вроде звеньев, а не сплошной ленты). По мнению Планка, это было всего лишь математической операцией, позволившей решить возникшие трудности. Однако в 1905 году Альберт Эйнштейн отнесся к идее Планка иначе. Он показал, что если свет действительно имеет квантовую природу, то этим объясняется загадка фотоэлектрического эффекта.

Фотоэлектрический эффект проявляется при падении света на металл, что вызывает выход электронов из металла. Однако испускание электронов прекращается при свете со слишком малой частотой независимо от мощности источника света. Эйнштейн заключил, что свет действует подобно частице, передавая свою энергию электрону и тем самым высвобождая его. Кроме того, отношение Планка, связывавшее энергию с частотой, объясняло отсутствие электронов при низкой частоте падающего света. Световым фотонам просто не хватало энергии для образования свободных электронов. Действия света больше напоминали поведение частицы, нежели волны.

Распространение представления о квантах на атомы в 1920-х годах привело к созданию квантово-механической модели атома. В данной теории электронам как частицам приписывались волновые свойства. Квантово-механические предсказания относительно цвета света, испускаемого возбужденными атомами, согласовывались с данными спектроскопии, так что теория выдержала опытную проверку. Теперь симметрия была полной. Свет мог проявляться в виде волны или частицы, а электрон (протон или нейтрон) — в виде частицы или волны, в зависимости от проводимых опытов.

Одним из следствий квантовой механики стал принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому существует предел произведения неопределенности положения частицы и неопределенности ее импульса и соответствующий предел произведения неопределенности энергии и неопределенности времени.

Принцип этот означает: чем точнее установлено местоположение электрона, тем менее точно можно узнать его импульс, и наоборот. Предел крайне мал, и его действие почти не отражается на измерениях объектов обычных размеров. Однако философские последствия велики: существует предел нашим знаниям. Многие ученые, включая Альберта Эйнштейна, не могли примириться с таким предположением. И все же оно следует из удостоверяемой гипотезы, которую приходится принять.

Далее, квантовую механику потребовалось объединить с другой революционной идеей начала XX века — специальной теорией относительности Эйнштейна. В 1928 году это сделал британский физик Поль Дирак. Его новая теория оказалась не только исчерпывающей, она приводила к любопытному следствию: предсказывала существование новой частицы, подобной электрону, но положительно заряженной, которая получила название антиэлектрона, или позитрона (положительного электрона).

Мало предсказать существование новых частиц, нужно подтвердить это в опытах. А поскольку ни у кого не было свидетельств существования позитрона, оно представлялось сомнительным. В начале 1930-х годов американский физик Карл Андерсон привлек для изучения материи новое средство — космические лучи. Они состоят в основном из протонов, ос-частиц (связанные два протона и два нейтрона; одним словом, ядра гелия), или света различной частоты. Эти частицы обладают широким спектром энергии и бомбардируют Землю повсюду, падая на нее с частотой одна частица в секунду. Основной источник космических лучей — Солнце, однако наблюдаемые в космических лучах частицы с наиболее высокой энергией порождены более мощными процессами по сравнению с теми, что происходят на Солнце.

Космические лучи невидимы, и их воздействие на материю слишком мало, чтобы его заметить. Для обнаружения частиц Андерсон использовал два устройства: создающее сильное магнитное поле и конденсационную камеру Вильсона. Магнитное поле искривляло траекторию заряженных частиц внутри конденсационной камеры, содержащей насыщенный водяными парами чистый воздух. Частицы, пролетая через камеру, ионизировали молекулы воздуха, и те становились точками оседания паров, образуя в итоге капли воды. Эти капли позволяли наблюдать траектории частиц, подобно тому как земная атмосфера дает возможность увидеть след от высоко летящего самолета, хотя его самого и не видно.

Андерсон проводил опыты в Колорадо, где большая высота существенно уменьшала затеняющее действие земной атмосферы на падающие космические лучи. Один из его снимков запечатлел траекторию, отклонившуюся в противоположном от траектории электрона направлении. Это было свидетельством существования позитрона. Оказывается, почти всем частицам соответствуют античастицы, отличающиеся электрическим зарядом и иными, более тонкими свойствами (см.: Список идей, 1. Антивещество).

Так как в гипотезе Дирака предсказывалось существование позитрона, его обнаружение подтверждало истинность релятивистской квантовой механики (квантовая механика, видоизмененная с учетом специальной теории относительности). Однако другое открытие Андерсона оказалось более обескураживающим. Он обнаружил траектории двух новых частиц — мюонов, масса которых в 200 с лишним раз превышала массу электрона. Одна имела положительный заряд, а другая — отрицательный. Их существование и свойства приводили в замешательство, поскольку мюонам не находилось места в строении вещества. Недоумение физиков выразилось в ответе Нобелевского лауреата И. А. Раби, который, услышав об открытии мюона, спросил: «Кто их заказывал?»



Четыре силы

Словно мало было хлопот с новыми частицами, в те же 1930-е годы были открыты еще и новые поля. К уже известному тяготению и электромагнетизму добавились силы ядерного взаимодействия, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, и силы слабого взаимодействия, вызывающие некоторые процессы радиоактивного распада. Любопытно, что слабое и сильное взаимодействия достигали своей максимальной силы на очень малом расстоянии, причем их сила падала до нуля, стоило частицам удалиться на расстояние, превышающее размеры ядра. Вот почему мы их не видим: они действуют на расстоянии, недоступном нашим органам чувств.

В 1930-е годы Энрико Ферми выдвинул теорию слабого взаимодействия, предсказавшую существование еще одной новой частицы. Эта электрически нейтральная частица нужна была для учета недостающей энергии в наблюдаемом [бета-]распаде. Ферми назвал ее нейтрино. Нейтрино оказалось чуть ли не частицей-призраком, столь редко взаимодействующей с обыкновенным веществом, что для остановки половины падающих нейтрино понадобилась бы свинцовая пластина толщиной в восемь световых лет (превышающей более чем в 2 раза расстояние от Солнца до ближайшей звезды). И все же нейтрино [точнее, антинейтрино] были обнаружены опытным путем американскими физиками Фредериком Рейнесом и Клайдом Коуэном, но лишь в 1953— 1956 годах. Это и требовалось физике — другая частица.

Осколки частиц, или Трудное разделение

Ученые отчаянно нуждались в аппаратуре для изучения этих новых частиц, но космические лучи оказались слишком уж ненадежными из-за столь широких перепадов их энергии, да и неизвестно было, откуда их ждать. В начале 1930-х годов появились новые устройства для систематических опытов — с использованием пучков частиц с заданной энергией. Устройства, названные ускорителями частиц, стали основным орудием физики высоких энергий, играя ту же роль, что микроскоп в биологии и телескоп в астрономии.

Были созданы два различных вида ускорителей: линейный и круговой, или циклотрон. В линейном ускорителе электроны ускоряются электрическим полем вдоль длинного вакуумного канала (модель Стэнфордского университета имеет протяженность 2 мили) и отклоняются магнитами для столкновения с мишенью. Датчики регистрировали продукты распада и синтеза при столкновении.

В циклотроне заряженные частицы ускоряются в зазоре между двумя половинами циклотрона (именуемыми дуантами — D-образными из-за своего вида), и их траектория искривляется магнитным полем внутри дуант. С увеличением энергии частицы двигаются по все большей дуге, и когда наконец достигают максимальной энергии, выводятся из циклотрона и направляются на мишень, где происходит столкновение, а разлетающиеся осколки регистрируются датчиками. (См.: Список идей, 2. Ускорители.) Изобретатель циклотрона Эрнест Лоренс трудился над созданием все больших циклотронов, которые называл протонными каруселями, но натолкнулся на препятствия, приведшие к остановке его карусели.

1930-е годы принесли другое несчастье: Вторую мировую войну.

Помимо сокращения отпускаемых на исследования средств военные нужды отвлекли огромное множество физиков, вынудив их с 1941 года заниматься Манхэттенским проектом. Изначально целью этого проекта было изучение энергии, высвобождаемой при расщеплении ядер тяжелых металлов вроде урана, чтобы определить, можно ли использовать эту энергию для создания оружия и в случае утвердительного ответа сделать это раньше немецких физиков, которые, как считалось, работали над схожим замыслом. (Пьеса «Копенгаген» Майкла Фрайна повествует о планах немцев и союзников по созданию атомной бомбы на примере взаимоотношений физиков Нильса Бора и Вернера Гейзенберга.)

Задача физики состояла в постижении устройства ядра, техники — в претворении этого знания во взрывное устройство. Об этической стороне дела задумались после победы над немцами, хотя те не занимались созданием атомной бомбы. После капитуляции Германии в мае 1945 года некоторые физики в Соединенных Штатах Америки вышли из Манхэттенского проекта. Оставшиеся создали атомную и водородную бомбы, последствия чего мы ощущаем до сих пор.

После окончания войны погоня за новыми частицами возобновилась, и ведущая роль здесь отводилась ускорителю. Частицы сталкивали с мишенью, после чего тщательно изучали получавшиеся осколки. При относительно малых энергиях, доступных в ту пору, протоны застревали в больших ядрах, образовывая короткоживущие более крупные ядра. Некоторые из этих ядер были радиоактивными и распадались на ядра поменьше и другие частицы. Получавшиеся более крупные ядра пополняли Периодическую таблицу, к радости химиков, а физики оставались без новых частиц.

Тем временем строились все более крупные циклотроны, получавшие частицы со все большей энергией. Ввиду эквивалентности массы и энергии (согласно знаменитой формуле Эйнштейна Е = тс²) столкновения при больших энергиях позволяли получать более тяжелые частицы. И вскоре физиков, работавших на ускорителе, ждал успех.

Снимки из камеры Вильсона указали на следы, или треки, невиданных прежде частиц: заряженных пионов (π⁺, π^-), или пи-мезонов, и каонов (К⁺, К^-), или К-мезонов, нейтральных пиона и каонов, лямбда-частицы, сигма-частицы и пр. И хотя частицы были нестабильны, распадались вскоре на более привычные частицы, все это свидетельствовало о том, что материя таит в себе еще много неожиданного.

Гонка за частицами ширилась. Число циклотронов росло, а их устройство совершенствовалось. В приборе, именуемом синхротроном, ускоряющее поле синхронизировалось для обеспечения постоянного радиуса траектории у пучка частиц. На смену камере Вильсона пришла пузырьковая камера, где образование пузырьков в перегретом жидком водороде позволяло видеть следы частиц. Все это походило на исследование разметанного взрывом стога сена в поисках короткоживущих иголок. Так, одному аспиранту для диссертации пришлось изучить 240 тыс. снимков из пузырьковой камеры.

Итогом всех этих усилий стал настоящий бум частиц: их было найдено свыше ста. Нобелевский лауреат Энрико Ферми заметил своему студенту Леону Ледерману (впоследствии тоже Нобелевскому лауреату): «Молодой человек, если бы я мог упомнить названия всех элементарных частиц, я бы стал ботаником».

Разросшееся скопище частиц создало в физике положение, сходное с тем, что переживала химия до появления Периодической таблицы Менделеева в 1869 году. В их основе должно лежать нечто общее, только вот что? Физики, исходя из теоретических соображений, пытались по-разному группировать частицы в поисках некоего порядка. Тяжелые и средние по массе частицы были названы адронами, а в дальнейшем их разбили на барионы и мезоны. Все адроны участвовали в сильном взаимодействии. Менее тяжелые частицы, названные лептонами, участвовали в электромагнитном и слабом взаимодействии. Но подобно тому как электроны, протоны и нейтроны нужны были для объяснения природы объявившегося скопища частиц, чтобы объяснить природу всех этих частиц, требовалось нечто более основательное.

В 1964 году американские физики Марри Гелл-Ман и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили новый подход. Все адроны, оказывается, состоят из трех более мелких частиц и соответствующих им античастиц. Гелл-Ман назвал эти новые элементарные частицы кварками, заимствовав название из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где герою в снах часто слышались слова о таинственных трех кварках. Эти (первые) три кварка, получившие названия верхний (и — от англ. up), нижний (d — down) и странный (s — strange), обладают дробным электрическим зарядом +²/₃, —¹/₃ и —¹/₃ соответственно, а у их антикварков эти заряды противоположны.

Согласно данной модели протоны и нейтроны составлены из трех кварков: uud и udd соответственно, тогда как обширная группа вновь открытых мезонов состоит из пары кварк—антикварк. Например, отрицательный пион представляет собой сочетание нижнего кварка и верхнего антикварка. Кварки предлагались в качестве рабочей гипотезы, и, хотя они позволяли решить вопрос с упорядочиванием обширного собрания частиц с математической точки зрения, их существование не внушало доверия из-за отсутствия опытных данных.

В опытах протоны с нейтронами представляли собой размытые кусочки вещества, подобные атому согласно томсоновой модели «пудинга с изюмом». Однако эти частицы были значительно меньше атома, так что их нельзя было прощупать, обстреливая альфа-частицами, как проделал Резерфорд с атомами. Альфа-частицы были слишком крупными, и выведать что-либо с их помощью оказывалось невозможным.

Коллектив ученых Стэнфордского отделения Массачусетского технологического института на линейном ускорителе занимался изучением ядра, обстреливая электронами водород и дейтерий (тяжелый изотоп водорода, ядро которого содержит один протон и один нейтрон). Они измеряли угол и энергию рассеяния электронов после столкновения. При малых энергиях электронов рассеянные протоны с нейтронами вели себя как «однородные» частицы, слегка отклоняя электроны. Но в случае с электронными пучками большой энергии отдельные электроны теряли значительную часть своей начальной энергии, рассеиваясь на большие углы. Американские физики Ричард Фейнман и Джеймс Бьёркен, как и Резерфорд в работе по выявлению строения ядра с помощью альфа-частиц, истолковали данные по рассеянию электронов как свидетельство составного устройства протонов и нейтронов, а именно: в виде предсказанных ранее кварков. Теперь приходилось считаться с гипотезой существования кварков.

Физики всегда стремились упрощать возникающие вопросы сочетанием различных теорий. На исходе XIX века Джеймс Клерк Максвелл осознал, что электричество и магнетизм выражают собой две стороны одного и того же явления, и это позволило объединить их, а само явление получило название электромагнетизма. В 1950-е годы американские физики Ричард Фейнман, Джулиус Швингер и японский физик Томонага Синъитиро соединили теорию электромагнетизма с квантовой механикой, создав квантовую электродинамику (КЭД). Согласно этой теории электроны взаимодействуют посредством обмена световыми фотонами. Сами фотоны наблюдать невозможно, поскольку электроны испускают и поглощают их в пределах, подпадающих под действие принципа неопределенности Гейзенберга. Из-за своей ненаблюдаемости они получили название виртуальных фотонов.

Когда в конце 1960-х опытным путем удалось выявить кварки, была выдвинута другая модель объединения, включающая два из четырех взаимодействий. Стив Вайнберг и Шелдон Глэшоу в Америке и пакистанский физик Абдус Салам в Триесте (Италия) независимо друг от друга выдвинули теорию, объединяющую электромагнитное и слабое взаимодействия в одно, электрослабое взаимодействие. Помимо объяснения уже наблюдавшихся явлений в более общей связи эта новая теория добавляла к списку имеющихся частиц предсказываемые новые: нейтральную, слабо взаимодействующую (ныне именуемую Z⁰), W⁺, W^- и тяжелую частицу, названную хиггсовой (подробнее см. далее).

В 1973 году была предложена еще одна теория: квантовая теория сильного взаимодействия, которую выдвинули Марри Гелл-Ман и немецкий физик Харальд Фритцш. Получившая название квантовой хромодинамики, эта теория походила на КЭД: и в той и в другой теории основные частицы, кварки, взаимодействовали в процессе обмена виртуальными (в пределах действия принципа неопределенности) частицами, именуемыми глюонами. А поскольку никто не видел глюона, требовалось подтверждение существования еще одной частицы.

К середине 1970-х все теоретические и опытные наработки слились в единую теорию, названную стандартной моделью. В ее основе лежат математические выкладки, не являющиеся предметом настоящей книги, так что не следует забывать, что модель опирается на мощный математический аппарат.

Основой стандартной модели стало представление, что кирпичиками Вселенной выступают поля, а не частицы. Первоначально поля понадобились для решения проблемы дальнодействия. Каким образом одно тело способно воздействовать на другое, если оба они находятся на некотором расстоянии друг от друга и между ними нет ничего материального? Ньютон ответил, что они воздействуют друг на друга посредством некой силы.

Для уяснения понятия поля нам следует пойти еще дальше в своих отвлеченных рассуждениях. Удалим одно тело. Теперь представим оставшееся, способное воздействовать на любое проходящее рядом тело. Это воздействие и составляет поле, проявляемое данным телом. При таком подходе поле есть возможность проявления силы. Например, поле тяготения часто изображается в виде стрелок, обращенных в сторону массы, как на рис. 2.2. Это вовсе не физические линии или стрелки в пространстве, а лишь указание на то, что любое, помещенное в любую точку тело будет ощущать действие некой силы в направлении, указанном стрелками.

Сходным образом линии электрического поля окружают заряд, а линии магнитного поля — магниты. Поскольку железные опилки обладают ярко выраженными магнитными свойствами, на помещаемых в учебниках картинках видно, как эти опилки распределяются вокруг полюсов магнита и делают как бы зримым само магнитное поле.

Вначале полю отводилось место сугубо понятийного средства, но ныне оно играет ключевую роль в физике. Согласно стандартной модели:

• 
  исходными кирпичиками Вселенной являются поля,
  
• 
  крошечные сгустки энергии (кварки или лептоны) проявляются при перенесении квантовых законов на поля,
  
• 
  частицы взаимодействуют между собой посредством обмена другими сгустками энергии (бозонами), которые невозможно наблюдать ввиду ограничений, накладываемых принципом неопределенности.
  

Итак, классическая картина дальнодействующих сил между частицами сменилась взаимодействием, обменом виртуальными сгустками энергии (прежде волнами) между квантованными жгутами энергии поля (прежде частицами). Здесь наблюдается полный разрыв с прежними представлениями.

Стандартная модель включает два вида взаимодействия: сильное и электрослабое.

1. Сильное взаимодействие: частицы, появляющиеся в соответствии с законами квантования ряда полей, называются кварками. Сегодня известно шесть кварков, (и связанных с ними антикварков), входящих в три семейства [или поколения], как показано на рис. 2.3. Вот их названия:

семейство 1: верхний и нижний;

семейство 2: очарованный и странный;

семейство 3: верхний и нижний.

Кварки взаимодействуют друг с другом через сильное взаимодействие, обмениваясь виртуальными частицами, именуемыми глюонами.

2. Электрослабое взаимодействие: частицы, появляющиеся в соответствии с законами квантования ряда полей, называются лептонами. Существует шесть лептонов (и связанных с ними антилептонов), входящих в три семейства, как показано на рис. 2.4.

Вот их названия:

семейство 1: электрон и электронное нейтрино;

семейство 2: мюон и мюонное нейтрино;

семейство 3: тау и тау-нейтрино.

Лептоны взаимодействуют, обмениваясь виртуальными частицами: фотоном, двумя W-бозонами и одним Z-бозоном.

На обобщенном рис. 2.5 представлены основные элементарные частицы и переносчики их взаимодействий.

В табл. 1 перечислены частицы с их спином, зарядом и массой. Поражает огромный разброс масс — но об этом речь пойдет далее.

Согласно стандартной модели здесь прослеживается механизм функционирования атома. Протоны и нейтроны удерживает в ядре обмен виртуальными глюонами между составляющими эти частицы кварками.



Рис. 2.5. Основные частицы

Связь электронов с протонами в ядре обеспечивается обменом виртуальными фотонами. Заметим, что три семейства кварков в точности соотносятся с тремя семействами лептонов. Вот только неизвестно, почему их ровно три. Первое семейство кварков и лептонов стабильно и составляет всю материю вокруг нас. Другие два семейства нестабильны, распадаясь через короткое время на более устойчивых собратьев. Если же говорить о возможности существования большего числа семейств кварков и лептонов, имеется два экспериментальных подтверждения, что таких семейств три. Одно подтверждение получено в 1998 году на усилителе при распаде нейтрального лямбда-гиперона [лямбда-ноль-гиперона] с образованием нейтрино, а другое — из астрономических наблюдений (подробнее см. след. параграф).