Тема 9. ПРОБЛЕМЫ СТРОЕНИЯ И РАЗВИТИЯ МАТЕРИИ
1. ПРОБЛЕМА ЕДИНСТВА СИЛ ПРИРОДЫ И СУЩНОСТЬ ГРАВИТАЦИИ
Физика XVIII и начала XIX вв. знала три основных силы природы: гравитация, электрическое взаимодействие и магнитное взаимодействие. Во второй половине XIX в. Дж.К. Максвелл и другие создатели классической электродинамики показали, что два последних типа взаимодействия неразрывно связаны друг с другом. в единую электромагнитную силу. Но Максвелл только зафиксировал их связь, а идея сущностного единства этих сил утвердилась благодаря теории относительности, согласно которой электрические и магнитные поля взаимно превращаются со сменой системы отсчета. В 1932 г. открыты два новых вида взаимодействия: т. н. сильное, посредством которого образуются, напр., связи нуклонов в ядре атома, и т. н слабое, посредством которого, напр., осуществляются распады элементарных частиц. Этим силам соответствуют квантовые поля и особые частицы-носители. В попытках охватить эти четыре фундаментальные силы одной общей теорией наибольшую проблему представляет учет природы тяготения.
Мы уже отмечали, что у Ньютона гравитация трактовалась как нелокальная сила геометрического характера. Это значит, что действует она через пустоту (вакуум), уровень ее зависит только от взаимного расположения тел в пространстве, а изменение этой силы при взаимном перемещении тел не требует времени (сверх времени перемещения самого тела). Мы знаем также, что сам Ньютон затруднялся объяснить дальнодействие гравитации, которое противоречит принципу причинности, и как раз по этому поводу заявлял "Гипотез не измышляю". При этом он неоднократно высказывал предположение, что "существует тончайший дух, силой и действием которого определяются все движения материи", однако решение данного вопроса оставлял на усмотрение потомков.
И до Ньютона, и еще много времени спустя в науке о Вселенной господствовали идеи близкодействия, восходящие к “вихревой физике” Р. Декарта. И. Кеплер, на законах которого Ньютон основал свою теорию тяготения, думал, что планеты увлекаются движением эфира от вращения Солнца, подобно тому, как водоворот увлекает и кружит легкие тела. Х. Гюйгенс, современник Ньютона, тоже не хотел допускать действия силы через пустоту и создал модель Солнечной системы на основе гидравлической теории вихрей.
В решении этого спора важную роль сыграло определение формы Земли. По теории Декарта-Гюйгенса она должна быть вытянута, а по Ньютону – сплюснута у полюсов. Последнее было доказано только в 1735–1737 гг. экспедициями под руководством П. де Мопертюи. Но еще в 1740 г. Парижская академия наук присудила премию за объяснение приливов не сторонникам Ньютона, а приверженцу декартовой теории “вихрей”. В конце того же столетия П. Лаплас на основе астрономических наблюдений показал, что скорость распространения тяготения превышает света скорость по меньшей мере в 6 млн. раз, подтверждаются его выводы и современными исследователями.
Тем не менее, Эйнштейн вернулся к идее близкодействия гравитации. Происходило это возвращение непросто. Когда сам Эйнштейн пытался ввести тяготение в рамки СТО и при этом допустил, что его изменения распространяются с конечной скоростью С, расчеты показали, что скорость падения тела должна зависеть от его горизонтальной скорости, – что противоречит реальности и выводам Галилея. Как уже отмечалось в лекции о теории относительности, ОТО рассматривает гравитацию просто как искривление метрики пространства, а не как силу, и не содержит понятия энергии гравитационного поля, а сам Эйнштейн подчеркивал существенное отличие поля тяготения от полей иной природы и тождество гравитации с геометрией пространства. Казалось бы, все подталкивало его к предположению, что гравитация не распространяется в пространстве со временем.
Тем не менее, Эйнштейн не только создал ОТО в предположении локальности гравитации, но и сразу выдвинул программу ее обобщения в единую теорию поля на основе, опять-таки, принципа близкодействия, свойственного всем другим силовым полям. Он полагал, что после создания электродинамики уже нельзя "верить в непосредственное мгновенное действие на расстоянии даже в области тяготения", что СТО "исключила возможность существования сил дальнодействия", и сознательно стремился "включить гравитацию в фарадеевскую концепцию поля". В известной книге Эйнштейна и Инфельда "Эволюция физики" сказано, в частности: "Ньютонов закон тяготения связывает движение тела здесь и теперь с действием другого тела в то же самое время на далеком расстоянии. Этот закон стал образцом для всего механистического мировоззрения (вряд ли это верно, т. к. сам Ньютон затруднялся вписать его в собственное мировоззрение. – В.С.). Но механистическое мировоззрение потерпело крах. В уравнениях Максвелла мы создали новый образец для законов природы. Уравнения Максвелла суть структурные законы. Они связывают события, которые происходят здесь и теперь, с событиями, которые происходят немного позднее и в непосредственном соседстве… наши новые гравитационные уравнения суть также структурные законы, описывающие изменение поля тяготения".
Здесь квантовая теория как бы отомстила Эйнштейну за недоверие к ней и за то, что он навязал ей постулат ограниченности скоростей всякого взаимодействия, – отомстила тем, что сделала его теорию гравитации заложницей идеи квантования энергии. Всякое близкодействующее поле переносит энергию, а энергия, согласно постулату М. Планка, квантуется. Поэтому из локальности тяготения следует, что гравитационное поле должно иметь свои волны и особые кванты, т. н. гравитоны. Этот непреложный вывод и был сделан последователями Эйнштейна в науке. Сама ОТО не квантовая теория, и в этом смысле не предполагает обязательно близкодействия. Она ничего не знает о гравитонах, но допускает волны гравитации, возникающие при переменно-ускоренном движении тяготеющих масс. Такие волны образуются, напр., при вращении Солнца, и влияют на орбиты планет, вызывая смещение их перигелия. Но нет оснований отождествлять эти волны с агентами, передающими саму силу тяготения: ведь одно дело – колебать бечеву, а другое – ее натягивать. Мощность этого гравитационного излучения совершенно ничтожна, оно примерно в 1024 раз слабее электромагнитного. По подсчетам В.А. Фока, для Солнца данная мощность составляет всего 450 вт (яркая бытовая лампочка), а для всей Солнечной системы – около 1 квт (средний бытовой нагреватель). Как заключает тот же автор, "в задаче о гравитационном взаимодействии масс гравитационные волны никакой роли не играют". Если гравитоны – кванты этого излучения, то не они нас тут интересуют.
Сам Эйнштейн бесплодно потратил на построение общей теории поля последние 30 лет своей жизни, оправдываясь в шутку тем, что "открыл 99 путей, которые не годятся". Кванты и волны гравитации до сих пор не обнаружены, хотя поиски ведутся уже около полувека и на них затрачены (и продолжают затрачиваться) громадные средства. Сейчас в США создается грандиозная система LIGO (Laser interferometr gravitationalwave observatory). Она состоит из двух далеко разнесенных "антенн" (вакуумных трубок) длиной 4 км каждая, и в ней можно будет заметить смещения зеркал под действием приходящей гравитационной волны на 10–16 см и меньшие; однако надежность ее оценивается всего в 50%, т. к. предполагаемый гравитационный сигнал весьма слаб. Квантовая теория гравитации также пока не построена, хотя программы ее построения существуют уже много десятилетий. Тем не менее, все современные попытки объединения фундаментальных сил природы основаны на принципе близкодействия, и в этом смысле идут вслед за Эйнштейном.
Всего известно около двух десятков таких попыток. Первыми были теории Г. Вейля, Т. Калуза и самого Эйнштейна, построенные еще до открытия сильного и слабого взаимодействия. Сегодня в этой области можно выделить три взаимосвязанных подхода: теории супергравитации, теории суперсимметрии и теории суперструн. Модели супергравитации используют идеи многомерного пространства (обычно пяти измерений), высказанные Калуза. Концепцию суперсимметрии предложили в 1971 г. отечественные теоретики Гельфанд и Лихтман. Она предполагает, кроме обычных размерностей пространства и времени, еще некие суперразмерности, которые можно измерить в т. н. числах Грассмана. Но за прошедший период наука не приблизилась к обоснованию данной теории и прояснению ее странностей (напр., в ней оказываются равны произведения некоторой величины на положительное и отрицательное значение другой величины). В теории суперсимметрии каждой частице отвечает партнер с другой квантовой статистикой (см. ниже), напр., фотону со спином 1 отвечает фотино со спином 1/2. Масса частиц-партнеров, по-видимому, не меньше 100-1000 ГэВ, но эти частицы тоже пока не обнаружены.
Во многом перекликается с концепцией суперсимметрии т. н. теория суперструн, сложившаяся примерно в те же годы. Это ведущее сейчас направление общей теории поля. В ней микрочастицы рассматривают не как точечные объекты (так их рассматривает квантовая механика), а как колебания одномерных объектов – т. н. струн (англ. strings). "Струны" имеют характерные размеры порядка 10–33 см., могут существовать в виде отрезков или колечек. Их рассматривают не в обычном пространстве, а в пространствах с 10-ю или 11-ю измерениями. Название "суперструны" употребляют, чтобы не было путаницы с космическими струнами, и чтобы подчеркнуть использование идей суперсимметрии. Ведущим специалистом по этой теории сегодня считается Х. Мальдасена из США. На конференции Стрингз-98 в Санта-Барбаре он предложил как полагают, новые перспективные подходы. Но и здесь окончательный результат пока не достигнут. Сами авторы претендуют на понимание лишь некоторых предельных случаев и говорят о намеках на более общую теорию, которую называют М-теорией.
Существует также ряд моделей Великого объединения: это теории, объединяющие хотя бы три из четырех фундаментальных взаимодействий. Они опираются на вывод, что при высоких энергиях и на очень малых расстояниях сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия описываются, как выражаются физики, общей константой, проще говоря – уравниваются по силе. Но эти теории предсказывают нестабильность протона и существование магнитных монополей, т. е. носителей одного из магнитных полюсов без другого. Это противоречит наличному опыту и пока не нашло подтверждений в специальных экспериментах. Реальные достижения в области общей теории поля сегодня сводятся к единой теории электрослабого (электромагнитного и слабого) взаимодействия. Ее создали независимо друг от друга в 70-х гг. ХХ в. А. Салам, С. Вайнберг и Ш. Глэшоу.
Однако не все специалисты увлечены идеей объединения сил на основе квантового подхода. Еще в 60-е гг. М.Ф. Широков отмечал, что поля сил тяготения и инерции существенно отличаются от полей электромагнитных и ядерных сил как раз тем, что не обладают массой, энергией и импульсом. Это чисто геометрические поля, которые являются формой существования материи, как и само пространство-время. Отсюда он делает логичный вывод: "…представляется необоснованным формальное применение к ним рецептов квантования… Эти рецепты приводят к выводу о существовании особых частиц – гравитонов, обладающих массой, энергией и импульсом… ". Фактические основания этого вывода, по сути, указаны Эйнштейном, однако от самого вывода Эйнштейн уклонился, а Широков, можно сказать, вскрыл логическую противоречивость его доктрины. Оригинальный физик из Москвы А.В. Рыков в статье "Реабилитация Вселенной" (опубликована в сети Интернет в сентябре 1999 г.) утверждает, что гравитация – сила электрического происхождения, однако такая, которая распространяется не поперечными, а продольными волнами. Причем из-за центрального характера этой силы гасится демпфирующий эффект магнитной составляющей, в результате чего скорость распространения силы тяготения становится практически бесконечной (в сравнении с радиусом Вселенной). Прав ли он, судить специалистам, для нас же это еще одно свидетельство осознания поднятой проблемы.
Если допустить, что полетяготения(основное, а не производное от осцилляции тел)не квантуется, тогда оно –неблизкодействующее, не распространяется в пространстве со временем, и не обязано подчиняться выводу Эйнштейна о предельности скорости света. Сила тяготения предстает в этом случае не как динамическая, а как статическая сила, которая (в отличие от электромагнитных волн) не существует отдельно от своего источника и не распространяется ни с какой скоростью (но волны гравитации от переменно-ускоренного движения масс действительно существуют отдельно от источника и распространяются с конечной скоростью). Тяготение – это "прогиб" пространства, который перемещается только вместе с движением данного тела; это "гравитационная линза" данного тела (в геологическом смысле понятия "линза"), охватывающая в той или иной степени весь объем Вселенной. Следовательно, оно неотрывно от инерционной массы тела; и тогда действительно существует не две разных массы, а только одна – она же инерционная масса и масса гравитационная.
Против дальнодействия гравитации выдвигают иногда такой тезис: нелепо полагать, будто каждое движение руки человека на Земле моментально сказывается на далеких звездах. На квантовом уровне это, как мы знаем, не так уж нелепо; однако данное возражение несостоятельно уже в свете классической механики. Согласно закону сохранения импульса, как бы мы ни махали руками, состояние центра тяжести взаимосвязанной системы тяготеющих тел и ее гравитационное воздействие на окружающий мир остаются абсолютно неизменными. Точно так же движение планет по орбитам сказывается только на состоянии Солнца и других планет, но никак не сказывается на далеких звездах. В этом смысле гравитация и впрямь "локальна".
Еще Эпикур, с его гениальной физической интуицией, трактовал гравитацию как особую силу, причастную к "центру диакосмоса", т. е. к истокам всеобщего мирового порядка. Если признать дальнодействие тяготения, оно и предстает как именно та сила, которая отражает изначальное единство материального мира, а потому обязательно возникает вместе с выделением его частей. Это соответствует также современному здравому смыслу и современным представлениям науки о совместном рождении гравитации и вещества. С точки зрения диалектики, тяготение представляет сущностное родство всех элементов мироздания, возникших путем деления из общей для них субстанции (физического вакуума). А с точки зрения синергетики, дальнодействие гравитации есть одно из проявлений нелокальной связи, типичной для процессов самоорганизации. Поэтому сила тяготения, и только она, является абсолютно всеобщей (в пределах вещественной реальности), всепроникающей и не зависящей ни от каких качественных характеристик вещества.
Таким образом, гравитация – не рядовое локальное поле, а миросозидающая сила, посредством которой из физического вакуума возникает вся чувственно воспринимаемая реальность. Не случайно это единственная сила, присущая всем формам бытия материи. Она не накладывается на некую независимую от нее или условную метрику, а действительно создает метрику мироздания; сила гравитации не переносится в пространстве со временем, а учреждает структуру пространства и времени. Хвала Эйнштейну, что он сделал эти гениальные выводы еще до того, как были разработаны представления о физическом вакууме и задолго до появления синергетики; не его вина, что состояние науки ограничило его возможности в решении иных проблем теории поля. Он шел на единственный свет, который был виден в его эпоху, – на свет теории локального поля по Максвеллу.
Из признания неквантовой природы тяготения не следует, что общая теория поля в принципе невозможна. Естественно предположить, что в неразвитых формах бытия, на первом (еще до оформления элементарных частиц) этапе становления вещественной реальности, дискретные и континуальные, квантовые и неквантовые начала и разные типы полей сливаются в первобытном синкретизме. На это прямо указывают современные представления об эволюции материи. На это исходное единство и должна опереться соответствующая теория. Чтобы обнаружить его, требуются сверхмощные источники энергии. Такой источник, сверхпроводящий Суперколлайдер (СКК), сооружается в Стэнфорде, однако на сегодня его строительство заморожено из-за недостатка средств.
Но, на наш взгляд, успех такого эксперимента еще не докажет, что поле гравитации в его зрелом виде является квантовым, близкодействующим полем. С точки зрения диалектики, наличие общего корня сил и фиксация его в теории как предпосылки любой из сил природы, действующих в развитом мире, не исключает, а предполагает признание существенной особенности каждой из этих сил, их взаимной несводимости друг к другу и нередуцируемости каждой из них к исходному состоянию. Поэтому всеобщая теория поля возможна только в смысле обнаружения общих исторических корней всех сил природы, но не в смысле из математической редукции к какой-то общей формуле. Быть может, именно попытки представить гравитацию как близкодействующее квантовое поле мешают построению общей теорий поля, насколько она действительно может иметь место.
Естественно, мы можем предлагать свои выводы только в качестве философской гипотезы. Большинство авторитетов физики и космологии (напр., С. Хокинг и акад. В.Л. Гинзбург) еще верят в квантовую теорию гравитации. Не так давно было получено, как считается, решающее подтверждение волнового характера гравитации путем исследования движения двойных звезд (пульсаров), на взаимодействии которых должна сказываться конечность скорости распространения тяготения (Нобелевская премия по физике 1993 г.). Заметим, однако, что это пока единственная серьезная эмпирическая опора для таких заключений. Надо полагать, что отказ от старой веры чреват возникновением новых серьезных проблем, решать которые придется самим физикам. Тем не менее, сомнения в ней уже назрели, а их разрешение стоит на первом плане среди методологических вопросов современной космологии и современной теории поля.
В классической физике понятия частиц и сил были четко разделены, а в современной физике – тесно взаимосвязаны. Она рассматривает взаимодействие как, в конечном счете, обмен некоторыми частицами, и каждому виду сил природы приписывает собственную частицу-носитель. Поэтому и мы не можем оторвать рассмотрение отношений между силами природы от рассмотрения элементарных частиц и отношений между ними. Эти вопросы будут рассмотрены в следующих разделах данной лекции.
2. "ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ" ЧАСТИЦЫ И ИХ ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
В начале и середине XIX в. считалось, что первочастицами вещества являются атомы химических элементов, ограниченные в их численности и дальше неразложимые. В конце этого и начале следующего столетия была доказана разложимость атомов и открыты первые элементарные частицы: электрон (Дж.Дж. Томсон, 1897 г.), фотон – квант электромагнитного излучения (Эйнштейн, 1905 г.; термин введен Г.Н. Льюисом в 1929 г.), протон (Э. Резерфорд, 1919 г.). Но по-настоящему развитие теории элементарных частиц началось с открытия нейтрона. Оно предсказано Резерфордом в 1921 г., а совершено Дж. Чедвиком в 1932 г.
Этот (1932) год в физике частиц называют годом чудес. Тогда же были открыты два новых фундаментальных вида взаимодействия – сильное и слабое. В том же году К. Андерсон открыл в космических лучах первые частицы антивещества – позитроны (анти-электроны). Позитрон был предсказан в 1931 г. П. Дираком. Он обратил внимание на нерелятивистский характер уравнения Шредингера и составил новое уравнение, которое описывало движение электрона с учетом теории относительности. Оказалось, что оно имеет два решения, одним из которых был известный электрон, другим – аналогичная частица, но с положительным зарядом.
В дальнейшем квантовая теория поля установила, что каждой частице соответствует античастица, которая отличается только знаком некоторых характеристик взаимодействий (напр., электрического заряда, барионного заряда, магнитного момента и др.). Если частица имеет нулевые значения всех зарядов, она совпадает со своей античастицей (напр., фотон, нейтральный пи-мезон и др.). Частицы и соответствующие античастицы (с противоположными зарядами) при столкновении аннигилируют, т. е. взаимно уничтожаются, а их масса покоя превращается в энергию, уносимую двумя (или более) другими частицами, напр. фотонами. Это открытие разрушило перегородку между полем (излучением) и веществом. Оказалось, они превращаются друг в друга в процессе порождения и аннигиляции электрон-позитронных пар.
В 1936 г. тот же К. Андерсон обнаружил мюоны и антимюоны. К концу 40-х гг. открыты пи-мезоны и известно уже 15 элементарных частиц. Дальше открытия посыпались как из рога изобилия. К 1981 г. эмпирически обнаружены античастицы практически всех известных частиц, и сейчас физика знает около 400 субатомных объектов. Такое многообразие заставило физиков вплотную заняться классификацией субатомных частиц, и в целом эта классификация проведена успешно. Ее результаты выражаются в виде т. н. Стандартной модели частиц и представляют существенный общенаучный и философский интерес. В первую очередь, обратим внимание на основные свойства частиц.
Субатомные частицы характеризуются прежде всего временем жизни. Всего пять из них считаются в принципе стабильными: электрон, протон, нейтрон, фотон и нейтрино. Причем лишь протон и нейтрино практически вечны. Время жизни свободного протона оценивается по современным данным в 1,6× 1033 года, тогда как возраст Вселенной порядка 1,5× 1010 лет. Нейтрон стабилен только в ядре атома, а в свободном состоянии живет не более 16 минут, после чего самопроизвольно распадается (на протон, электрон и электронное нейтрино). Правда, в ядре атома протоны и нейтроны постоянно взаимопревращаются. Фотон всегда движется со скоростью света, и его торможение эквивалентно поглощению фотона веществом. Поэтому фактически он живет ровно столько времени, сколько проходит от его порождения до поглощения. Все другие субатомные частицы живут очень малое время. Особо выделяются т. н. резонансы – частицы с крайне малым временем жизни (порядка 10–22 – 10–24 с). Именно они составляют большую часть всех субатомных частиц (около 200).
Электрический заряд частиц всегда кратен заряду электрона, который принят за –1. Он меняется в небольших пределах; зато массы частиц могут различаться в тысячи и даже в сотни тысяч раз. Нет двух частиц с одинаковой массой, зато есть, как мы уже знаем, частицы без массы покоя. Электрон обладает также наименьшей массой покоя (около 9× 10–28 г.), поэтому с ним часто сравнивают и массы других частиц. Так, из важнейших частиц, протон (от греч. protos – первый) обладает зарядом +1, и тяжелее электрона приблизительно в 1836,1 раз. Нейтрон не имеет электрического заряда (лат. neuter означает ни тот, ни другой), и тяжелее протона на 2,5 массы электрона.
Каждая частица имеет спин – собственный момент импульса. Он выражается в единицах постоянной Планка ħ, и введен в науку в 1925 г. Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом. Английское слово spin означает "вращаться". Действительно, есть соблазн истолковать спин как момент вращения частицы вокруг ее оси, поскольку он определяет, на сколько градусов (кратных 180) надо повернуть частицу, чтобы она приобрела тот же вид, что до поворота. Однако эти углы могут быть и больше 360о, а скорость вращения частиц при таком истолковании может превышать скорость света, что не имеет физического смысла. Спин – квантовый параметр, которому нет аналога в классической механике.
В зависимости от значения спина, частицы делятся на фермионы (ферми-частицы) – с полуцелыми спинами (1/2, 3/2), и бозоны (бозе-частицы) – с целочисленными спинами (0, 1 и 2). Название фермионов обусловлено тем, что они подчиняются статистике Ферми–Дирака, по которой в каждом квантовом состоянии (особые характеристики внутри некоторой системы частиц) может находиться не более одной частицы. Иначе этот принцип именуется запретом Паули. Фермионы – те частицы, из которых строится вещество. А бозоны подчиняются статистике Бозе–Эйнштейна, по которой в каждом квантовом состоянии может находиться произвольное число частиц. Бозоны со спином 1 принято называть векторными, а со спином 0 – скалярными.
Обычно бозоны играют роль переносчиков взаимодействия. По сравнению с частицами вещества, их индивидуальность как бы стерта, это трудолюбивые "муравьи" микромира. Как видим, уже в микромире намечается тенденция к развитию в будущем уникальности вещественных образований и обратного качества процессуальных отношений. Благодаря первому, возможен прогресс в развитии индивидуальных предметов, благодаря второму – все тела взаимодействуют по единым законам; в результате природа выступает как взаимосвязанное многообразие. Но конкретнее о роли частиц речь пойдет в следующем вопросе. Согласно принципу Паули частицы, относящиеся к фермионам, препятствуют любым попыткам к объединению. Наоборот, частицы с целым спином (бозоны) стремятся к объединению и легко образуют своеобразную квантовую жидкость.
В 1956 г. было открыто несохранение пространственной четности (P) при слабых взаимодействиях – мир оказался несимметричным, "правое" неэквивалентно "левому". Однако считалось, что все взаимодействия инвариантны относительно CP-сопряжения, то есть при замене правого на левое с одновременной сменой частицы на античастицу. В 1964 г. был обнаружен распад К-мезона, который свидетельствовал, что и CP-инвариантность нарушается (Нобелевская премия 1980 г.). Пока обнаружена только еще одна реакция с несохранением CP-инвариантности, а другая под вопросом. Реакция распада протона, на которую возлагались некоторые надежды, не зарегистрирована. Природа процессов с CP-несохранением неясна, их исследования продолжаются. Не решен вопрос, сохраняется ли такая инвариантность при замене времени t на –t (это имеет фундаментальное значение для понимания необратимости физических процессов).
3. ТИПЫ И СТРОЕНИЕ СУБАТОМНЫХ ЧАСТИЦ
Частицы делятся также на лептоны, адроны и переносчики взаимодействия. О лептонах кое-что говорит уже их название (от греч. leptos – легкий). К ним относятся, во-первых, действительно легчайший электрон, а также нейтрино, возможно – вообще не имеющее массы покоя. По крайней мере, она не обнаруживается в пределах современной точности эксперимента. Но в количественном отношении нейтрино превышает все остальные частицы, так что даже атомы (тем более – сложные системы вещества) выглядят редкими островами в океане нейтрино. Во Вселенной на один протон приходится 1 миллиард нейтрино. Если окажется, что нейтрино имеют заметную массу покоя, это может существенно изменить наши представления об устройстве Вселенной и путях ее развития. На конференции "Нейтрино-98" было заявлено о наблюдении т. н. нейтринных осцилляций, что должно бы означать наличие у нейтрино массы. Но пока окончательный результат не получен.
К лептонам относится и мюон. Интересно, что положительный мюон, когда он останавливается в веществе, может присоединять к себе электрон и образовывать подобие атома водорода (т. н. мюоний). А отрицательный мюон при тех же условиях может замещать один из электронов в атомах вещества. Мюон тяжелее электрона приблизительно в 207 раз, однако считается еще сравнительно легким. Но лет двадцать назад открыт тау-лептон (иногда именуется таон), который тяжелее электрона в 3636 раз и почти вдвое тяжелее протона. Кроме нейтрино, не имеющего заряда, все остальные лептоны имеют электрический заряд –1. В 60-х гг. установлено, что есть три типа нейтрино – электронное, мюонное и тау-лептонное. Нейтрино почти не взаимодействуют с веществом и их очень трудно обнаружить (нейтрино может пройти всю Землю насквозь и "не заметить" этого). Все же в 2000 г. открыта последняя по счету – тау-нейтрино (впервые след ее зафиксирован еще в апреле 1997 г., но все это время шла обработка результатов). – Таким образом, всего лептонов насчитывается 6, а вместе с античастицами – 12.
Все лептоны считаются подлинно элементарными частицами, т. е. не обнаруживают (по крайней мере, при достижимых сегодня энергиях) никакой внутренней структуры. Но в последние годы появились ожидания, что удастся доказать принципиальную разложимость электрона, облучая инфракрасным светом микроскопические пузырьки жидкого гелия при температуре, близкой к абсолютному нулю; это произвело бы переворот во всей квантовой физике. Х. Мерис утверждает даже, что более 30 лет назад физики уже подтвердили делимость электрона, сами того не подозревая. Еще в 1982 г. было открыто существование квазичастиц с 1/3 заряда электрона и другой дробной величины при протекании тока в двумерном электронном "газе" при существенном взаимодействии между электронами (дробный квантовый эффект Холла, Нобелевская премия по физике за 1998 г.). Это не частицы в общепринятом смысле слова, а следствие группового "танца" электронов в квантовой жидкости. Тем не менее, в глазах специалистов это открытие означает, что заряд электрона оказался не элементарным.
Вообще электрон, первая из открытых субатомных частиц, все еще не до конца разгадан. Если следовать классическим представления о поведении зарядов и положить его точечным, возникают парадоксы воздействия поля этой частицы на нее саму; если же придать ему объем, электрон должен быть разорван внутренним отталкиванием частей собственного заряда. Кроме того, если бы мы измеряли "голый" заряд электрона, он оказался бы бесконечным по величине. Современная физика представляет себе "жизнь" электрона как постоянное испускание и поглощение виртуальных фотонов, которые окружают электрон плотным облаком ("шубой"). Поэтому не удается определить точный размер электрона, говорят только о его условном "классическом радиусе" ro = e2/meC2 ~ 10–11 см. Эта модель решает ряд проблем, но не все специалисты находят ее удовлетворительной.
Но основное определение лептонов состоит в том, что они не участвуют в т. н. сильном взаимодействии, а только – в гравитационном, электромагнитном и слабом. А основное отличие адронов (от греч. adros – сильный) – именно в том, что они могут участвовать также и в сильном взаимодействии. Это процессы, создающие из частиц какие-то структуры и поддерживающие их существование. Такое взаимодействие проявляется прежде всего в виде сил, связующих частицы в ядре атома. Интересно, что электроны, нейтрино и фотоны неподвластны сильному взаимодействию. Сегодня известны сотни адронов, но подавляющее большинство из них – резонансы, стабильными являются только протон и нейтрон.
Адроны делятся на барионы (от греч. barys – тяжелые; к ним относятся, в частности, протон и нейтрон), и мезоны (от греч. mesos – средний, промежуточный). За исключением резонансных частиц, насчитывается 9 барионов и 5 мезонов. Барионы имеют полуцелый спин (т. е. это фермионы) и особый барионный заряд (у частиц всегда +1, у античастиц –1). Мезоны имеют целочисленный спин, т. е. это бозоны. Нуклоны обмениваются между собой мезонами, превращаясь поочередно то в протон, то в нейтрон, при этом протон может образовывать связи с ограниченным числом нейтронов и, наоборот, нейтрон связывается с определенным числом протонов.
В 1964 г. М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг высказали гипотезу, что каждый адрон состоит из субчастиц – т. н. кварков, и сейчас это считается доказанным. Поэтому адроны взаимодействуют друг с другом и с другими частицами по сложным законам. Кварки отличаются дробным электрическим зарядом (–1/3 или +2/3), дробным барионным зарядом (1/3) и имеют спин 1/2 (т. е. это фермионы). Установлено, что есть шесть сортов или "ароматов" кварков и такое же число антикварков. "Ароматы" кварки обозначаются по первым буквам английских слов up, down, strange, charm, beauty и truth (или top). Последний из них, самый тяжелый t-кварк, открыт только в 1994 г., хотя предсказан уже давно. Как и лептоны, кварки считаются истинно элементарными частицами, т. е. не имеют внутренней структуры. Поэтому все процессы с участием адронов и лептонов могут быть представлены как кварк-лептонные процессы.
Как и требует теория, кварков обнаруживается ровно столько же, сколько лептонов (т. н. кварк-лептонная симметрия). Т. о., мы имеем два равночисленных набора истинно элементарных частиц, и все взаимодействия между частицами можно свести к отношениям кварков и лептонов. По массе все кварки и лептоны разделяются на три "поколения". В первое, самое "легкое", поколение входят электрон, электронное нейтрино и кварки up, down. Именно из этих частиц построены атомы, т. е. все вещественные объекты во Вселенной. Частицы других поколений могут рассматриваться как возбужденные состояния частиц первого поколения, и до сих пор не наблюдались переходы между частицами разных поколений. Роль других поколений частиц в природе, смысл их выделения и смысл запрета (либо редкости) переходов между поколениями пока неясны.
Мезоны состоят из кварка и антикварка, а барионы включают в себя по три кварка. Но это не значит, что в них присутствует по три кварковых "аромата". Так, кварковая формула протона uud, нейтрона – udd, а некоторые барионы состоят вообще из трех кварков одного "аромата". На первый взгляд, это нарушает запрет Паули для фермионов. Но дело в том, что каждый кварк существует еще в трех особых квантовых состояниях, которые называются цветами. В этой связи теорию кварков именуют "квантовой хромодинамикой" (от греч. chroma – цвет, краска). Цвета тут, конечно, условны, но подбираются так, чтобы их смешение в любой частице давало бесцветную композицию (кваркам обычно приписывают желтый, красный и синий цвета, антикваркам – оранжевый, фиолетовый и зеленый).
Переносчиками взаимодействия считаются фотон (от греч. phos, род. падеж photos – свет), глюон (от англ. glue – клей), и еще три промежуточных бозона: W+, W– и Zo. Фотоны, как уже отмечалось, переносят электромагнитное взаимодействие. Глюоны связывают между собой кварки в адронах. Спин глюонов равен 1, а электрический заряд и масса покоя – нулевые. Они имеют цветовые заряды, по которым различается восемь (состояний) глюонов. Глюоны сильно взаимодействуют друг с другом ("самодействуют") по нелинейным законам, и при этом могут порождать другие глюоны. В результате взаимодействие между кварками с расстоянием не ослабевает, а усиливается; а при малых расстояниях между кварками последние выглядят как независимые частицы.
Самодействием глюонов объясняется правило невылетания цвета, согласно которому самостоятельно существовать могут только "бесцветные" объекты. Это значит, что невозможно встретить кварк или глюон в свободном состоянии. Иначе это состояние глюонов и кварков называется "конфайнмент" (англ. confinement – тюремное заключение): они "сидят" в адронах, как пожизненно осужденные. При этом кварки постоянно меняют свои цвета, испуская и поглощая глюоны. Даже если бы кварк или глюон вырвался из адрона, он тут же превратился бы в "обычные" микрочастицы. По современным представлениям, выбивание кварка при глубоко неупругом рассеянии лептонов должно породить струи адронов. Таким образом, все субатомные частицы (в т. ч. адроны) элементарны в том смысле, что они не разлагаются на составляющие, а только превращаются в другие частицы. В то же время, недавно появились сообщения, что на протонных коллайдерах в Швейцарии и США удалось “разбить” элементарные частицы, получив кварк-глюонную плазму. Это потребовало громадных затрат энергии. Бомба, использующая энергию взаимодействия кварков, была бы настолько же сильнее ядерной или термоядерной, насколько они превосходят силу обычных (химических) взрывчатых веществ.
Промежуточные боз