Страница 28 из 51
Однако приведенное уточнение важно для понимания точки зрения физиков на законы сохранения вообще, идет ли речь о зарядах, импульсе, энергии или других важнейших характеристиках частиц. Всякий закон сохранения не есть какая-то абсолютно непреложная истина, а результат осмысления большого количества экспериментальных данных. Если появляются данные, которые никак нельзя согласовать с тем или иным законом, то его приходится считать приближенным. Тем не менее борьба за каждый закон сохранения идет до самого конца, и тщательно рассматриваются любые идеи, способные его спасти. Вспомним хотя бы историю гипотезы о существовании нейтрино, которая была выдвинута во имя спасения закона сохранения энергии.
Наряду с абсолютными законами сохранения электронного и барионного зарядов, которые играют очень важную и общую роль в наших представлениях о микромире, существуют другие приближенные законы сохранения, на долю которых и выпала главная тяжесть по наведению порядка в чрезмерно разросшейся таблице элементарных частиц.
Еще в 1932 году В. Гейзенберг обратил внимание на поразительную схожесть двух фундаментальных составляющих ядерной структуры — протона и нейтрона. Их массы отличались всего на десятую долю процента. И у него возникало, естественно, подозрение: если протон был бы вообще лишен электрического заряда, то не превратился ли бы он в самый настоящий нейтрон?
И тогда В. Гейзенберг выдвинул интересную идею: протон и нейтрон представляют собой просто различные состояния одной частицы — нуклона. Если вообразить мир, в котором «по мановению волшебной палочки» выключились бы электромагнитные взаимодействия, например, все фотоны объявили бы забастовку и не захотели бы вступать в контакт с электрическими зарядами, то у физиков не нашлось бы никакого способа узнать, «кто есть кто», — все частицы в ядре выглядели бы на одно лицо. И двуликую природу нуклонов можно установить после этого единственным путем — снова запустить в этот воображаемый мир фотоны и заставить их нести свои важные обязанности по розыску электрических зарядов.
Таким образом, нуклон совмещает в себе представление о двух частицах и как бы расщепляется на протон и нейтрон под действием электромагнитного поля. Аналогичная ситуация имеет место и в случае пи-мезонов. В теории можно рассматривать один пи-мезон, который расщепляется на три наблюдаемых — пи-плюс-, пи-ноль- и пи-минус-мезоны — только при включении электромагнитных взаимодействий. Такое же «сокращение» можно провести и для известных ка-мезонов, гиперонов и резонансов.
Благодаря этому адроны с близкими значениями масс, но различными электрическими зарядами удобно группируются и предстают перед нами в более «крупноблочной» классификации: нуклон, пи-мизон, ка-мезон, три типа гиперонов (лямбда, сигма, кси) и так далее. То, что на самом деле каждый из них виден в нескольких состояниях, скажем, сигма-гиперон — в трех, является лишь сравнительно малым эффектом. Действительно, разности масс между различными состояниями частиц по сравнению с величинами самих масс этих частиц-адронов ничтожно малы. Можно считать, что разности масс между нейтральными и заряженными адронами, составляющие не более нескольких процентов от этих масс, как раз и обусловлены электромагнитными взаимодействиями.
Такой взгляд на классификацию частиц не покажется столь уж удивительным, если вспомнить, что аналогичным приемом мы часто пользуемся в повседневной жизни. Нам часто приходится иметь дело с объектами, у которых, как говорится, общее преобладает над различиями. Скажем, два жилых дома, построенных по типовому проекту, могут отличаться окраской панелей и отделкой подъездов, наконец, в одном из них может размещаться магазин, а в другом — нет. Эти отличия очень полезны для ориентации, хотя мы прекрасно понимаем, что перед нами дома-близнецы. И особенно просто почувствовать всю второстепенность указанных отличий, оказавшись вблизи домов-близнецов в незнакомом районе и в позднее время, когда мелкие детали как бы растворяются в темноте…
Электромагнитные взаимодействия, нарушающие полную эквивалентность адронов с близкими значениями массы, но различными зарядами, играют в определенном смысле тоже второстепенную роль.
Анализируя близость свойств протона и нейтрона, В. Гейзенберг высказал идею, что эти частицы должны участвовать в сильных взаимодействиях совершенно симметричным образом, как бы забывая о том, что у одной из них есть электрический заряд, а у другой нет. Впоследствии эта идея была распространена и на все другие адроны и получила название изотопической симметрии. Строгой изотопической симметрии соответствует сохранение особой величины, квантового числа, называемого изотопическим спином.
Но, как мы уже успели убедиться, электромагнитные взаимодействия разрушают эквивалентность в поведении заряженных и нейтральных адронов. Поэтому говорят о нарушении изотопической симметрии в реальном мире и, соответственно, считают, что изотопической спин является лишь приближенно сохраняющимся квантовым числом.
Может возникнуть естественный вопрос: зачем же обсуждать какую-то симметрию законов природы, если она выполняется только в воображаемом мире, а в реальности хоть и сравнительно слабо, но заведомо нарушается?
Этот интересный вопрос затрагивает на самом деле очень глубокие проблемы познания, и он, бесспорно, важен для понимания логики развития физики элементарных частиц, да и любой другой науки.
Физики всегда конструируют воображаемые миры, чтобы глубже постичь закономерности мира реального. Реальность слишком сложна для того, чтобы ее можно было сразу же осознать во всем многообразии. Ученые вынуждены действовать постепенно, шаг за шагом приближаясь к пониманию определенных явлений.
Верно, что в природе нет реального нуклона — это лишь образ, замещающий две частицы (протон и нейтрон), известные нам из эксперимента.
Но ведь в природе нет, скажем, и настоящей окружности в том смысле, как ее понимают геометры. Просто, окружность — это очень полезный и бесконечно привычный образ, с помощью которого мы можем часто с весьма хорошим приближением описывать свойства реальных тел, всегда имеющих хотя бы слабые отклонения от идеальной формы.
В природе нет и «абсолютно твердых тел», которые мы обсуждали в связи со старой моделью электрона-шарика. Однако это весьма полезный образ в механике, который позволяет изучать многие движения с хорошей точностью.
Но вообще-то «вносить в природу» те или иные приближенные образы из конкретных наук надо с осторожностью. Весь многотысячелетний опыт познания говорит о том, что любой самый красивый и, казалось бы, общий научный образ рано или поздно сменяется другим, более красивым и более общим. В свое время активное противодействие представлениям квантовой механики было во многом обязано тому, что в сознании ряда людей, в том числе и физиков, прочно «склеились» образы классической механики и реальный мир. И им трудно было убедить себя в том, что, допустим, траектория электрона вовсе не необходимая принадлежность реального мира, а полезное приближенное средство для описания движения макроскопических тел.
Все это очень важно иметь в виду, обсуждая дальнейшее развитие принципов классификации в микромире.
Изотопическая симметрия заметно упорядочила наши представления, сгруппировав адроны с очень близкими значениями масс. Но, как вы помните, существовали еще и явления, связанные с рождением необычных, странных частиц в строго определенных комбинациях, скажем, попарно. Например, лямбда-гиперон мог родиться только в паре с положительно заряженным или нейтральным ка-мезоном или, наконец, вместе со своим антиподом — анти-лямбда-гипероном. Такие же закономерности прослеживались и в рождении других гиперонов и ка-мезонов. Когда же наступала пора этим частицам распадаться, такой закономерности уже не наблюдалось — любая из них распадалась на обычные адроны, как бы забывая о правилах своего рождения.