Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

На протяжении двух последних веков ученые, интересующиеся строением Вселенной, искали базовые строительные блоки, из которых состоит материя, — самые простые и неделимые составляющие материального мира. Атомная теория объяснила все многообразие химических веществ, постулировав существование ограниченного набора атомов так называемых химических элементов, объяснив природу всех остальных веществ через различные их сочетания. Таким образом, от сложности и многообразия на внешнем уровне ученым удалось перейти к простоте и упорядоченности на элементарном уровне.

Но простая картина атомного строения вещества вскоре столкнулась с серьезными проблемами. Прежде всего, по мере открытия все новых и новых химических элементов стали обнаруживаться странные закономерности в их поведении, которые, правда, удалось прояснить благодаря вводу в научный обиход периодической системы Менделеева. Однако представления о строении материи все равно сильно усложнились.

В начале прошлого столетия стало ясно, что атомы отнюдь не являются элементарными «кирпичиками» материи, а сами имеют сложную структуру и состоят из еще более элементарных частиц — нейтронов и протонов, образующих атомные ядра, и электронов, которые эти ядра окружают. И снова усложненность на одном уровне, казалось бы, сменила простота на следующем уровне детализации строения вещества. Однако и эта кажущаяся простота продержалась недолго, поскольку ученые стали открывать всё новые и новые элементарные частицы.

В обычной ньютоновской физике любая сила — это либо притяжение, либо отталкивание, изменяющие характер движения тела. Но в современных квантовых теориях сила, действующая между элементарными частицами, интерпретируется несколько иначе. Считается, что сила возникает в результате того, что две частицы обмениваются третьей.

Приведем следующую аналогию. Представьте себе пару фигуристов на катке, едущих друг другу навстречу. Приблизившись, один из них вдруг выплескивает на другого ведро воды. Тот, кто выплеснул воду, от этого затормозит и изменит направление движения. И тот, кто получил порцию воды, также затормозит и изменит направление. Таким образом, «обменявшись» водой, оба фигуриста изменили направление движения. Согласно законам механики, это означает, что между фигуристами произошло силовое взаимодействие. В приведенном примере нетрудно увидеть, что эта сила возникла из-за (или, как сказали бы физики, передалась «через» или «посредством») обмена водой.

Еще один пример касается двух лодочников, гребущих на встречных курсах. Один гребец перебрасывает массивный предмет партнеру, когда они проплывают друг мимо друга. В результате действия закона сохранения импульса, когда первый гребец сделал бросок, курс его лодки отклонился от прямолинейного в сторону, противоположную направлению броска, а когда второй гребец поймал предмет, его импульс передался ему, и вторая лодка также отклонилась от прямолинейного курса, но уже в сторону броска. Таким образом, в результате обмена предметом обе лодки изменили направление. Согласно механике Ньютона, это означает, что между лодками произошло силовое взаимодействие. Но ведь лодки не вступали между собой в прямое соприкосновение? Здесь мы и видим наглядно, и понимаем интуитивно, что сила взаимодействия между лодками была передана носителем импульса — переносчиком взаимодействия.

Оптимистичные ярлыки «универсальная теория», «теория всего сущего», «теория великого объединения», «окончательная теория» сегодня используются в отношении любой теории, пытающейся объединить все четыре взаимодействия, рассматривая их в качестве различных проявлений некоей единой и великой силы. Если бы это удалось, картина устройства мира упростилась бы до предела. Вся материя состояла бы лишь из кварков и лептонов, и между всеми этими частицами действовали бы силы единой природы. Уравнения, описывающие базовые взаимодействия между ними, были бы столь короткими и ясными, что уместились бы на почтовой открытке, объясняя при этом, по сути, основу всех без исключения процессов, наблюдаемых во Вселенной.

Здесь мы продолжим знакомить читателя с шедеврами научной популяризации из не столь уж и далекого прошлого и предлагаем небольшой отрывок из книги доктора химических наук Юрия Георгиевича Чиркова «Охота за кварками».

Кварки

Взаимодействие между кварками в составе элементарных частиц можно графически представить в виде диаграммы Фейнмана, названной так в честь американского физика Ричарда Фейнмана. На представленной диаграмме красный и синий кварки обмениваются глюоном и меняют свой цвет на цвет партнера по взаимодействию.

Слово «кварк» ввел в науку американский физик-теоретик М. Гелл-Ман. М. Гелл-Мана, как и других физиков, беспокоила неразбериха и толчея, наблюдавшиеся в мире элементарных частиц.

И вот в 1963 году одновременно и независимо, находясь даже на разных континентах — один в Америке, другой в Европе, — теоретики американец М. Гелл-Ман и австриец Г. Цвейг, чтобы устранить противоречие, высказали гипотезу о существовании трех фундаментальных субъядерных частиц, различными комбинациями которых и является большинство элементарных частиц.

Только в вопросе, как назвать эти «детальки» микромира, М. Гелл-Ман и Г. Цвейг разошлись. Американец, большой, видимо, почитатель творений Д. Джойса, в поисках подходящего имени для новых частиц, возможно, начал перечитывать роман «Поминки по Финнегану» и наткнулся на то место, где дублинский трактирщик возомнил себя королем Марком, персонажем средневековой легенды.

Королю кажется, что его племянник Тристан украл у него жену, прекрасную Изольду. Марк преследует похитителя на корабле. В небе над парусами кружат чайки (которые, впрочем, может быть, вовсе не чайки, а судьи).

Они зловеще кричат-каркают: «ТРИ КВАРКА ДЛЯ МИСТЕРА МАРКА!» Короля мучают кошмары, а чайки все повторяют:

«ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА…»

Слово «кварк» перекочевало со страниц романа Д. Джойса в мир элементарных частиц легко и естественно. Скорее всего в этом отрывке М. Гелл-Мана привлекало то, что число кварков было именно три. Столько, сколько и требовала теория.

Пришлось по вкусу ученому и само слово «кварк» — звучное, диковинное, абсолютно не затасканное в других употреблениях.

Итак, М. Гелл-Ман выбрал слово, и оно пришлось к месту. Г. Цвейг же был менее удачлив. Он назвал гипотетические субчастицы, претендующие на роль истинных кирпичиков праматерии, «тузами». Эта картежная терминология оказалась не столь привлекательна (тузов-то четыре!), теперь о ней почти никто не вспоминает.

А кварки прижились. Удивляло и радовало, что всего трех кварков было достаточно, чтобы конструировать из них — словно это детские кубики — огромное число открытых к тому времени элементарных частиц.

И вновь раздались победные клики в стане физиков.