Страница 24 из 92
Согласно этому принципу, две (или более) тождественные частицы с полуцелым спином, входящие в одну физическую систему, не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Однако предсказанная Геллманом теоретически и впоследствии обнаруженная экспериментально частица омегаминус-гиперон, состоящая из трех s-кварков, оказалась именно такой системой. Чтобы спасти положение, ввели новое квантовое число — цвет. Если принять, что три s-кварка отличаются по цвету, то все становится на свои места.
Цвет можно рассматривать как аналог электрического заряда. Считается, что кварки связаны между собой специфическим цветным взаимодействием, носителем которого является частица, названная глюоном (от английского glue, т. е. «клей»). По аналогии с квантовой электродинамикой эта новая область квантовой теории поля получила название квантовой хромодинамики.
Открытия Рихтера и Тинга явились убедительным свидетельством в пользу гипотезы кварков и хромодинамики. Поэтому уже в 1976 г. Нобелевский комитет присудил этим двум исследователям премию по физике. Таким образом, награждение состоялось спустя менее двух лет после опубликования результатов исследований.
Какова же современная картина классификации элементарных частиц? Выяснилось, что к четырем уже названным кваркам следует добавить еще b-кварк (от англ. beauty, что значит «красота») и t-кварк (от англ. truth— «истина»). Эти шесть кварков различаются между собой по характеристикам, называемым ароматами, и группируются в три семейства, причем каждое из них встречается в трех цветах: красном, желтом и синем. Шесть «ароматов» по три цвета составляют, таким образом, 18 элементарных частиц; кроме того, существует семейство лептонов, куда входят электрон, мюон и тау-частица, а также электронное, мюонное и тау-нейтрино, т. е. лептонов всего шесть. Если их добавить к 18 кваркам, то фундаментальных частиц становится 24, а с учетом их античастиц — 48. Это, пожалуй, слишком много, чтобы их можно было считать совершенно элементарными.
Разрабатываются новые модели, согласно которым даже эти частицы состоят из субчастиц. Но эти модели весьма гипотетичны, поскольку в настоящее время наука не располагает экспериментальными данными, которые могли бы подтвердить или опровергнуть их. Гигантские ускорители уже достигли предела своих возможностей, а строительство еще более мощных — очень трудное и дорогостоящее дело. Это побуждает физиков обратить взгляд в космос. Во Вселенной вещество может находиться в таких состояниях, когда проявляются его фундаментальные свойства. Может быть, внимательно прислушиваясь к сигналам, идущим из Вселенной, мы получим возможность понять нечто большее о мире, в котором живем.
Связь исследований микромира с изучением Вселенной — одно из самых поразительных явлений в современной физике. Это — поистине замечательное объединение.
В современной физике на повестке дня стоят и другие объединения. Речь идет о силах, действующих в окружающем нас мире. Еще в XVII в. Ньютон описал гравитационное взаимодействие, управляющее движением небесных тел. В XIX в. Максвелл объединил электричество и магнетизм, создав единую теорию электромагнитного взаимодействия. В 30-е годы нашего столетия, после открытия нейтрона, заговорили о сильном (ядерном) взаимодействии, связывающем нуклоны в атомном ядре, а исследования бета-распада привели к понятию слабого взаимодействия. Стали предприниматься попытки их объединения.
Альберт Эйнштейн 35 лет своей жизни посвятил созданию единой теории электромагнитного и гравитационного взаимодействий. Он начал свою работу тогда, когда еще не были известны другие виды взаимодействий, существующие в микромире. Эйнштейн не достиг успеха. Однако в последнее десятилетие другие исследователи сумели объединить электромагнитное и слабое взаимодействия, создав единую теорию электрослабого взаимодействия. Над этой проблемой работали многие ученые, среди которых выделяются имена Стивена Вайнберга, Шелдона Глэшоу и Абдуса Салама — лауреатов Нобелевской премии по физике за 1979 г.
Попытки создать теорию слабого взаимодействия ученые стали предпринимать в 50-х годах — после того, как Ричард Фейнман, Юлиус Швингер и Синъитиро Томонага создали современную квантовую электродинамику. К 1948 г. независимо друг от друга они разработали теорию, связывающую квантовую механику с релятивистскими представлениями, которая позволила объяснить экспериментальные результаты, полученные в спектроскопии и других исследованиях атомов. В частности, японский физик Томонага создал в 1946 г. теорию, математический аппарат которой давал возможность довольно точно рассчитывать процессы электромагнитного взаимодействия электронов и фотонов.
Американский физик Р. Фейнман известен не только работами в области квантовой электродинамики, но и знаменитыми диаграммами Фейнмана, которые позволяют наглядно объяснить возможные превращения частиц.
Ю. Швингер из Гарвардского университета вычислил аномальный магнитный момент электрона и объяснил так называемый «лэмбовский сдвиг» в спектре водорода, открытый Уиллисом Лэмбом — одним из лауреатов Нобелевской премии по физике за 1955 г. Ю. Швингер был учителем Шелдона Глэшоу, о котором речь пойдет дальше.
За создание релятивистской квантовой электродинамики Фейнман, Швингер и Томонага были удостоены в 1965 г. Нобелевской премии по физике.
После того как эта задача в общих чертах была решена, ученые занялись слабыми взаимодействиями. К 1958 г. благодаря работам Ричарда Фейнмана, Марри Геллмана, Роберта Маршака и Эннакала Ченди Джорджа Сударшана была разработана универсальная теория слабых взаимодействий. Еще тогда, возвращаясь к некоторым идеям Ферми 30-х годов, Швингер высказал мысль о возможности объединения слабых и электромагнитных взаимодействий. Примерно к тому же периоду относятся и первые работы А. Салама, С. Вайнберга и Ш. Глэшоу.
В современных теориях ядерных взаимодействий квантовые представления приводят к выводу о существовании объектов двух классов частиц вещества и частиц — квантов поля, которые переносят взаимодействие. Еще Юкава, теоретически предсказавший существование квантов сильного взаимодействия, пытался ввести подобные представления и для слабого взаимодействия. Работы Янга Чжэньнина и Роберта Миллса (1954 г.) позволили развить эту идею дальше. Теперь решением проблемы занялись многие ученые, ив 1961 г. Шелдон Глэшоу сумел создать теорию слабого взаимодействия. Помимо описания слабого взаимодействия стало возможным установить его связь с электромагнитным взаимодействием. В электродинамике взаимодействие передается нейтральным фотоном. Согласно новой объединенной теории, электрослабое взаимодействие передается четырьмя частицами, три из которых (два так называемых промежуточных векторных бозона и один нейтральный бозон) имеют довольно большую массу, а четвертой является фотон. Необходимость большой массы частиц — переносчиков слабого взаимодействия вытекает из того, что это взаимодействие осуществляется на очень коротких расстояниях, тогда как не имеющий массы фотон обусловливает дальнодействующее электромагнитное взаимодействие. Но чтобы подтвердить экспериментально существование бозонов, необходимы сверхмощные ускорители. В ряде известных научных центров началось их конструирование, и некоторые из них вступят в строй в ближайшие годы. Одновременно физики и инженеры, стремясь расширить возможности уже существующей техники, приступили к ее усовершенствованию.
Еще в 60-е годы советский физик Герш Ицкович Будкер, работавший в Институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР указал, что возможности ускорителя существенно возрастут, если вместо бомбардировки ускоренными частицами неподвижной мишени использовать соударение встречных пучков частиц; в частности, он предложил использовать столкновение протонов с антипротонами. Главная проблема при этом состояла в получении достаточно однородных пучков частиц, движущихся с одинаковой скоростью. В 1956 г. голландский инженер Симон Ван дер Меер, работавший в ЦЕРН (Европейский центр ядерных исследований), сконструировал датчики, которые позволяли следить за состоянием потока частиц. При возникновении каких-либо неоднородности в пучке немедленно производится соответствующая корректировка режима ускорителя и таким образом достигается однородность пучков. Проект начал претворяться в жизнь в 1978 г., когда итальянский физик Карло Руббиа предложил использовать для этой цели сооружающийся большой ускоритель протонов (протонный суперсинхротрон), важным элементом которого стал накопитель, разработанный Ван дер Меером.