Хван М.П. Неистовая Вселенная: От Большого взрыва до ускоренного расширения, от кварков до суперструн
Подождите немного. Документ загружается.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
81
81
В торой «ки т», на котором осн овы вается соврем ен н ы й м етодологи чески й п одход
к идее объеди н ени я, состои т во всеобщ ем охвате и учете всех известны х нам ти п ов
взаи м одействий , п реж де всего ядерн ы х си льны х и слабы х взаим одей ствий:
объеди н и тельн ы й проц есс начался с си н теза слабы х и электром агнитн ы х
взаи м одействий в еди н ой теори и электрослабы х взаи м одействи й . А А . Э й н ш тейн
ядерн ы е силы (С В и С Л В ), видим о, н е хотел п ри зн авать в качестве ф ун дам ен тальн ой
и осн овоп олагаю щ ей ф и зической м атери и в строени и и структурной орган и зац и и
В селенной.
И так, м ы долж н ы п одчеркнуть, что соврем ен н ы й объединительны й п роцесс в
ф и зи ке и косм ологи и вклю чает два и з трех китов:
1. У чет квантово-полевой м атерии : кван тово -п олевая м атери я ун и версальна,
ф ун дам ен тальн а и осн овоп олагаю щ а как «строи тельны й » м атериал для
построен и я здан и я В селенн ой .
2. В торой «кит» состои т в н еобходи м ости кон струирован и я сам ого здани я
В селенной: для конструи рован и я из строи тельного м атери ала сам ого здани я
В селенной необходим ы силы , т. е. ти п ы взаи м одей стви й , которы е упорядочи ваю т
весь «строи тельны й » м атери ал, составляю т отдельны е блоки и осущ ествляю т
кон структи вную деятельность по возведени ю сам ого готового здания В селен н ой :
таких сил нам и звестн о четы ре, которы е упорядочи ваю т весь м и р и
сам ооргани зую т его в структурном строен и и и эво лю ци он н ом сам оразвити и —
Э М В , С Л В , С В и Г В .
Т ретьи м «китом », н а котором основы вается соврем ен н ы й м етодологический
подход к идее объединен и я в ф изике и косм ологии, состои т в необходим ости учета
простран ства-врем ен и : пространство -врем я есть не только каркас, ф он, т. е.
строи тельн ая площ адка, для возведен ия здани я В селенн ой , оно есть по сущ еству
«конструктор», указы ваю щ и й , где, как и каким образом н уж н о возводить здан и е
В селенной. П о вы раж ению А . Э й н ш тейн а, п ространство -врем я п оказы вает, как
м атерии двигаться, а м атери я указы вает пространству-врем ен и , как искри вляться.
В се три «ки та» — м атери я, си лы взаи м одействия, простран ство-врем я —
активн ы и и граю т конструкти вн ую сам оорган и зую щ ую роль в возведен и и здани я
В селенной.
В этой связи нам хочется отм ети ть следую щ и е особенн ости построен и я С .
В айн бергом , А . С алам ом и Ш . Г лэш оу еди н ой теори и электрослабы х
взаи м одействий :
1. К ак и каки м образом удалось объеди н и ть столь противополож н ы е ти п ы
взаи м одействий , как Э М В и С Л В , радиус действи я и интенсивн ость сил которы х, н а
первы й взгляд, абсолю тно несравн и м ы и несоизм ери м ы ?
Э то удалось соверш ить благодаря теоретическом у п редсказанию авторам и
м асси вн ы х п ром еж уточн ы х векторны х части ц с больш им и м ассам и,
осущ ествляю щ и х слабы е взаим одействия в вы соких эн ергиях. Т аки м и части ц ам и -
переносчи кам и слабы х взаим одействи й в вы соких эн ергиях оказали сь три м ассивны х
бозон а: W
+
, W
-
и Ζ
0
, которы е бы ли экспери м ен тальн о обн аруж ены в Ц Е Р Н е в кон ц е
1979 г. под руководством и тальянского ф и зи ка Р уби а.
Значит, теорети чески предсказанн ы е бозоны автор ам и еди н ой теори и
электрослабы х взаим одействи й в 70-х гг. бы ли эксп ери м ен тальн о обн аруж ены в
кон ц е 70-х и начале 80-х гг. Э то п ервое.
2. А вторая зам ечательная особен н ость в ф орм улировании еди н ой теори и
электрослабы х си л заклю чается в и дее сп он танн ого нару ш ен и я сим м етри и : в
результате
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
82
82
сп он танн ого н аруш ен и я си м м етри и безм ассовы е голдстоун овские части ц ы (т. е.
безм ассовы е пром еж уточны е частицы : W
+
, W
-
и Ζ
0
) п ри обретаю т м ассы и становятся
м асси вн ы м и бозонам и , осущ ествляю щ им и слабы е взаим одействи я. С и ла сл абы х
взаи м одействий в результате этого стала сравни м ой и соизм ерим ой с си лой Э М В :
благодаря том у, что п ром еж уточн ы е векторны е части ц ы слабы х взаи м одей ствий
стали м асси вн ы м и , си лы Э М В и С Л В стали реальн о равн ы м и . И м ен н о это равенство
(т. е. тож дество) сил Э М В и С Л В , теоретически п редсказан н ое авторам и , явилось
осн овополагаю щ ей и деей построени я еди н ой теори и электрослабы х сил как си н теза
Э М В и С Л В .
3. Т ретьей зам ечательной особенн остью п остроен и я единой электрослабой
теори и является сн ачала теорети ческое п ред сказани е, а затем эксп ери м ен тальн ое
обнаруж ени е н ейтрального тока и пром еж уточн ого ней трального бозон а — Z
0
,
которы й явился п ереносчиком ней тральны х токовы х взаи м одействий: ней тральн ы й,
но очен ь м асси вн ы й бозон Z
0
есть части ц а-переносчи к н ей тральны х токовы х
взаи м одействий . Н ей тральны й бозон Z
0
бы л откры т в конц е 70 -х гг. н аряду с
другим и бозон ам и (дубль ве — W
+
и W
-
) в Ц Е Р Н е. (С тои т здесь отм етить, что все три
создателя еди н ой электрослабой силы — С . В айн берг, А . С алам и Ш . Г лэш оу —
стали лауреатам и Н обелевской прем и и до экспери м ентальн ого обнаруж ен и я трех
пром еж уточн ы х части ц — W
+
, W
-
и Ζ
0
, н астолько эта теория бы ла вн утренн е
сам осогласованн ой , н епроти воречи вой , краси вой , когерентн ой и , безусловно,
необы чной, и м ею щ ей ф ундам ен тальн ы й см ы сл и значени е на пути объеди н и тельн ого
процесса В еликого объедин ени я, супергравитации и суперси м м етри и .)
К каки м ф и лософ ско-м етодологи ческим вы водам долж н ы м ы при й ти из
рассм отрен и я теори и м алого объедин ени я, си н тезировавш ей Э М В и С Л В ? П ервы й
вы вод: п ри рода в своей сущ ностной основе едина; второй вы вод: ф ундам ен тальн ое
значен и е в ф изическом построен и и карти н ы м и ра им еет не только си м м етрия, но и
принцип спон танного н аруш ен и я си м м етри и : п ри рода анти н ом и чн а в
диалекти ческом соп ряж ени и сим м етри и , асим м етрии и сп он танн ого н аруш ен и я
си м м етри и ; третий вы вод: м алое объеди н ени е есть ли ш ь п ервы й важ ны й ш аг н а пути
дальнейш его объединительного проц есса, ш аг, весьм а обн адеж и ваю щ ий .
А р хи тек тон и к а еди н ой теор и и эл ек тр осл абы х
в заи м одей ств и й — SU
(2)
x U
(1)
К ак м ы уж е отм ети ли, теория долж н а бы ть сам осогласованн ой . О н а долж н а
отвечать двум сущ ественны м требован и ям : во -п ервы х, он а долж на бы ть внутрен н е
соверш енной, т. е. не долж н а содерж ать вн утренн и х п роти воречи й (логи чески х,
м атем атических, ф изически х, сем ан ти чески х и т. д.). И н ы м и словам и, все
структурны е ком понен ты (при н ц и п ы , закон ы , кон ц епц и и и т. д.) теори и долж н ы
находи ться в сам осогласован н ом соответстви и : только в этом случае возм ож н ы
теорети чески е п редсказан и я и п роверка следстви й , вы текаю щ их из данн ой теори и .
Во-вторы х, лю бая сам осогласованн ая теори я (т. е. и стин н ая, ли ш ен н ая
внутрен н и х противоречий) долж н а н айти свое оп равдание в эксп ери м енте: это второе
требовани е сам осогласован н ости теории А . Э й н ш тейн назы вал требованием
внеш него оп равдан и я.
Значит, сам осогласованн ая теори я долж н а отвечать двум сущ ественны м
требовани ям :
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
83
83
1) внутрен н его соверш ен ства;
2) внеш него оп равдания.
А теп ерь в этом кон тексте рассм отри м единую теори ю электрослабы х
взаи м одействий , создателям и которой являю тся С тивен В айн берг, А бдус С алам и
Ш елдон Г лэш оу в 60 -е гг. прош лого века.
С лабы е и электром агнитн ы е взаим одей стви я — на первы й взгляд абсолю тно
несовм ести м ы е ти п ы взаи м одей стви й : если электром агнитн ы е взаи м одей стви я по
си ле слабее си льны х взаи м одействий , то слабы е слабее си льны х в м и ллион раз.
К ром е того, ради ус действи я электром агн и тны х взаи м одей ствий бесконечен, в то
врем я как ради ус слабы х взаи м одей стви й огран и чи вается внутри ядра в п ределах 10
-
17
см . И третий м ом ент в разли чи и м еж ду электром агни тны м и и слабы м и
взаи м одействиям и заклю чается в том , что кван товая эл ектроди нам ика (К Э Д ) как
сам осогласованн ая теори я создан а Р . Ф ей н м ан ом , Е . Ш ви н гером и С . Т ом он агой
(Я пония), за что они бы ли удостоены Н обелевской прем ии. Ч то касается теории
слабы х взаи м одействий, то она н е бы ла ещ е сам осогласованной.
К аковы конкретны е требовани я к реляти ви стской кван товой теори и , чтобы она
бы ла сам осогласован н ой?
1. Т еори я долж н а бы ть п еренорм и руем ой . Э то означает, во -п ервы х, ум еть устрани ть
бесконечн ости, которы е возни каю т: устран и ть бескон ечн ы е зн ачени я ф изически х
вели чи н теори и , чтобы м ож но бы ло эти величины сопоставить с дан н ы м и
эксперим ен та. В о-вторы х, ф и зи чески е вели чины долж н ы и м еть конечн ы е
значен и я для и х п роверки с наблю даем ы м и данн ы м и эксп ери м ен та: только
кон ечн ы е зн ачени я ф изически х вели чи н проверяем ы с дан н ы м и экспери м ен та.
2. Заслуги авторов един ой теори и электрослабы х взаи м одействи й состоят в том , что
эта теори я является перен орм и руем ой , т. е. все ф и зи чески е вели чи н ы ее и м ею т
кон ечн ы е значения, и п оэтом у она (т. е. эта теори я) сопоставим а с данн ы м и
эксперим ен та и п одтверж даем а эксп ери м ен тальн ы м и ф актам и (одн и м из таких
ф актов является обн аруж ени е в экспери м ен те н ейтральны х токов в 1972 г.,
предсказанн ы х теорией Z-бозон а).
К огда еди н ая теори я электрослабы х взаи м одей стви й будет перенорм и руем ой?
Т огда, когда она будет кали бровочно -инвариан тн ой . П оэтом у проблем а кали бровки
является п роблем ой № 1 при п остроени и всех калибровочн ы х реляти ви стски х
квантовы х теори й п оля (К Э Д , еди н ая теори я электрослабы х взаи м одействий, К Х Д ,
Б ольш ое объеди н ени е — SU
(5)
и т. д.): калибровка — это п реж де всего квантован и е
заряда, ген ери рую щ его силу взаи м одействий , кван тован и е всех сил, полей, части ц ,
как ф ерм ионов и бозон ов.
М ы уж е отм ети ли в своем м есте, что теори ю слабы х взаи м одей ствий н ельзя
сделать кали бровочно-и н вари антной вн е ее объеди н ени я с электром агнитн ы м и
взаи м одействиям и. П оэтом у только един ая теори я электрослабы х взаи м одействи й
является калибровочно-и н вари антной — SU
(2)
x U
(1)
. О н а стан ови тся калибровочно-
инвари антной, если си м м етри я SU
(2)
x U
(1)
спон танн о наруш ена: м ехани зм ом
сп он танн ого н аруш ен и я си м м етри и SU
(2)
x U
(1)
является м еханизм , най денн ы й
П и тером Х и ггсом в Э динбургском ун и верситете и К иббалом в И м перском колледж е
(Л он дон ), где работал А бдус С алам .
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
84
84
Значит, един ая теори я электрослабы х взаим одействий , п остроенн ая С .
В айн бергом , А . С алам ом и Ш . Г лэш оу в 60-70-е гг. прош лого века, является
сам осогласованн ой , отвечаю щ ей двум ф ун дам ен тальны м требовани ям Э й н ш тейн а: 1)
внутрен н его соверш ен ства; 2) внеш него оп равдания. С и м м етри я SU
(2)
x U
(1)
сп он танн о н аруш ена м еханизм ом Х иггса— К и ббала: м ехани зм Х и ггса— К иббала —
м ехани зм , связан н ы й с ф и зи чески м вакуум ом . В результате дей ствия м ехан и зм а
Х и ггса— К и ббала части ц ы (как ф ерм и он ы , так и бозон ы ) п риобретаю т м ассу:
особен н о важ но то обстоятельство, что бозоны W
±
и Z
0
становятся м асси вн ы м и.
И м енн о п оэтом у возм ож но бы ло построен и е сам осогласованной еди н ой теори и
электрослабы х взаим одей ствий . Т акова роль триады С Н С , м ехани зм а Х иггса—
К и ббала и ф и зи ческого вакуум а как бесконечн ого источника эн ерги и и ,
следовательно, м ассы .
В эп и стем ологи ческом проц ессе построени я единой теори и электрослабы х
взаи м одействий важ н а логи ка последовательного разверты вани я п он яти й н о -
кон ц ептуального ап п арата кали бровочно -и н вариан тной теори и :
1) си м м етри я и ее спон танн ое н аруш ение;
2) м ехани зм Х и ггса— К и ббала;
3) виртуальны й кон денсат ф изического вакуум а как бездон н ой проп асти
виртуальны х части ц и ан тичасти ц (П . А . М . Д и рак).
Т аки м образом , м ехани зм Х и ггса— К иббала — оди н и з ф ун дам ен тальн ы х
принципов образовани я м ассы и з энергии ф и зического вакуум а: ви ртуальны й
кон денсат ф изи ческого вакуум а есть бескон ечн ы й и сточн и к энерги и для п олучени я
м ассы из чи стой эн ергии и , в свою очередь, м асса превращ ается в энерги ю п о закону
Ε = M
0
с
2
.
Т аки м образом , только единая теори я электрослабы х взаи м одействий является
кали бровочно-и н вари антной и потом у она является п ерен орм и руем ой теорией .
П еренорм ируем ая теори я — теори я, ли ш енная бескон ечн остей и обладаю щ ая
кон ечн ы м значени ем ф и зи чески х величи н , сопостави м ы х и проверяем ы х данны м и
эксперим ен та. Л ю бая ф и зи ческая теори я в конечном счете им еет реальны й см ы сл,
если ее величин ы проверяем ы и подтверж даем ы эксперим ен тальны м и данн ы м и .
К аким образом творц ам еди н ой теори и электрослабы х взаим одей ствий С .
В айн бергу, А . С алам у и Ш . Г лэш оу удалось построить един ую теори ю
кали бровочно-и н вари антной и п отом у п еренорм ируем ой, обладаю щ ей реальн ы м
ф и зи чески м см ы слом ?
П реж де всего, и м удалось п острои ть в общ ем ви де кали бровочно -сим м етри чн ую
теори ю слабы х и электром агн и тны х взаи м одей стви й с четы рьм я п ром еж уточн ы м и
векторны м и бозон ам и — W
±
, Z
0
и γ: все эти четы ре бозон а — переносчи ки си л
взаи м одействий — бы ли безм ассовы м и . Н уж но бы ло реш ить клю чевую п роблем у
еди н ой теори и , т. е. и з четы рех кали бровочн ы х пром еж уточн ы х бозон ов три — W
±
и
Ζ
0
бы ли м ассивны м и, чтобы эф ф екти вны е константы связи слабы х и
электром агн и тн ы х взаи м одей стви й бы ли оди н аковы м и п ри эн ергии 100 Г эВ .
И м енн о в реш ен и и этой клю чевой проблем ы м ассы пром еж уточн ы х
кали бровочны х базонов — W
±
и Ζ
0
— п роявилась ф и лософ ская и ф изическая
интуиция разум а С . В айн берга и А . С алам а: калибровочная си м м етрия SU
(2)
xU
(1)
еди н ой теории электрослабы х взаи м одействий долж н а сп он танно н аруш аться и
долж но бы ть дей ствие м ехан и зм а Х и ггса— К и ббала как п реобразователя эн ерги и
скалярного кон ден сата
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
85
85
ф и зи ческого вакуум а в м ассы . В результате С Н С и дей ствия м ехан и зм а Х и ггса—
К и ббала и з четы рех кали бровочны х бо зон ов три — W
±
и Z
0
— при обретаю т м ассы и
становятся м асси вн ы м и , а ф отон γ остается безм ассовы м . Т олько в результате этого
кон станты сил слабы х и электром агн и тны х взаим одей стви й , обусловленн ы х
кали бровочны м и векторны м и м асси вн ы м и бозонам и — W
±
и Ζ
0
— и безм ассовы м
ф отон ом , становятся одинаковы м и при эн ергиях 100 Г эВ : един ая теори я
электрослабы х взаи м одействий стала калибровочн о -и н вари антной и п отом у
перенорм ируем ой , т. е. сам осогласованн ой теори ей, отвечаю щ ей двум требовани ям
А . Э йнш тейна — требовани ям вн утренн его соверш енства и вн еш него оп равдания.
§ 2. Р ек он стр ук ц и я КХД (к в ан товой хр ом оди н ам и к и )
К вар к овая м одел ь
Р и с. 1.8
И так, м ы рассм отрели п роблем у ун и тарной сим м етрии — уни тарны й октет и
декап лет. Б ы ло отм ечено, что, во -п ервы х, в п ри роде, т. е. в м ире элем ен тарны х
части ц , сущ ествую т только два сем ей ства унитарн ы х м ультиплетов — октет,
состоящ и й и з восьм и элем ентарн ы х части ц , и декап лет, состоящ ий из десяти
элем ентарн ы х части ц . У ди ви тельн о и странн о весьм а это обстоятельство, но ф акт
остается ф актом , ещ е теоретически не осм ы сленн ы м . В о-вторы х, более п одробно
ан али зи руя декаплет, м ы отм ечали , что и м енно исследовани е Г елл -М ан н ом п ри роды
декап лета уни тарной си м м етри и п ри вело к п роявлен и ю ф изической и
м атем атической и н туи ц и и о кварках как составн ы х субм и крочастиц ах структуры
адрон ов (p, n и т. д.), т. е. си льновзаи м одействую щ их части ц . В -третьих, за
вы даю щ ееся п редсказание о сущ ествовани и ом ега-м и н ус-гиперон а, зап олн и вш его
пустовавш ее дно декап лета, Г елл -М ан н бы л удостоен Н обелевской прем ии (а н е за
построен и е кварковой м одели).
А теперь п росто отм ети м осн овн ы е особенн ости п остроен и я кварковой м одели
одноврем енн о и независи м о двум я ф и зикам и — теоретикам и Г елл-М анн ом и
Д ж ордж ем Ц вей гом .
П ервой наи важ н ейш ей особен н остью построен и я кварковой м одели является,
безусловн о, интуити вн ое п росветлен и е экстраваган тной и деи о дробности заряда
кварков: дробность заряда кварков бы ла наи более экстравагантной и деей , ставш ей
м етодологи чески м п ри н ц и п ом уни ф и кац и и и апп рокси м аци и м ира адрон н ы х частиц ,
участвую щ их в си льны х взаим од ей ствиях: м атем ати чески чи сленн ое значен и е
дробности заряда кварков составляет ± 1/3 и ± 2/3. Т ак, у протон а заряд равен плю с
еди н и ц е и, следовательно, кварки, составляю щ и е элем енты структуры п ротон а,
долж ны обладать таким и числен н ы м и дробн ы м и зарядам и :
2/3 + 2/3-1/3 = 1.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
86
86
Т ак и кварки, как составны е структурны е элем ен ты ней трон а, долж ны обладать
дробны м и чи сленн ы м и зарядам и:
1/3 + 1/3 - 2/3 = О ,
и м ы знаем , что заряд н ейтрон а равен н улю , и т. д. М ы н е будем больш е приводи ть
прим еры . П росто отм ети м , что экстраваган тность идеи дробности заряда кварков как
неож и дан н ость и н еобы чн ость заклю чается в том , что всем н ам и звестны м зарядам
(электрический , бари он н ы й, лептон н ы й и т. д.) всегда бы ло п ри сущ е ц елочи сленн ое
значен и е (1, 0 и т. д.).
В сам ом начале п остроени я кварковой м одели бы ли известн ы три кварка up — и ,
down — d и strange — s (и — верх, d — н и з, s — странн ы й ). А теперь посм отри м
опять схем у ун и тарного декап лета.
Р и с. 1.9
В сам ом верху п ом ещ ается изом ульти п лет дельта-части ц , которы й состои т и з
вален тны х кварков — и и d, и н е содерж ат члены этого изом ульти п лета дельта-
части ц стран н ого кварка. А теперь посм отри м н и ж ележ ащ ий изом ульти п лет сигм -
части ц , член ы которого уж е содерж ат по одн ом у странн ом у кварку и два валентны х
кварка — и и d.+
С п раш ивается, п о чем у изом ульти п лет дельта-части ц не содерж и т странн ы х
кварков, а изом ультип лет сигм а-части ц содерж ит стран н ы е кварки ?
Во-первы х, странн ы й кварк s тяж елее и м асси вн ее, чем валентн ы е кварки и и d, а
во-вторы х, изом ульти п лет сигм а-части ц тяж елее и м асси вн ее, чем изом ульти п лет
дельта-части ц , и поэтом у член ы изом ульти п лета сигм а-части ц содерж ат п о одном у
странн ом у кварку. (П редсказан и е и откры тие странн ы х кварков стало вы даю щ им ся
собы ти ем , ибо он о подтверди ло и объясн и ло, кром е всего п рочего, п роблем у
сущ ествован ия при н ц и п а сим м етрии стран н ости , согласно котором у рож ден и е
странн ы х части ц п рои сходи т по кан алу сильн ы х взаи м одей ствий , а распад — по
каналу слабы х взаи м одействий .)
А теперь сн ова п осм отри м на ун и тарн ы й декаплет: н и ж е изом ультип лета си гм а-
части ц леж и т и зом ультип лет кси-частиц, уж е содерж ащ и й п о два странн ы х кварка s.
Э то объясняется п о тем ж е п ри чи н ам , что и зом ульти п лет кси -части ц тяж елее и
м асси вн ее изом ультиплета сигм а-части ц .
М ы уж е пи сали, что по м ере продвиж ени я сверху вн и з располагаю тся более
м асси вн ы е изом ульти п леты : возрастание м ассивности , как м ы уж е отм ечали , им еет
точное численн ое зн ачени е, которое регулярн о п овторяется — 150 эВ . Э то им енн о
важ ное обстоятельство (закон ом ерн ое) получает свое теоретическое обоснован и е и
эксперим ен тальное п одтверж дени е в обн аруж ен и и странн ы х кварков.
И так, обн аруж ени е и откры ти е странн ого кварка п одтверди ли и стинность
уни тарного декап лета и яви лись клю чевы м м ом ентом к построени ю кварковой
м одели .
А сейчас о второй ф ундам ен тальн ой особенн ости кварковой м атерии — это о ее
кон ф ай н м ен те, т. е. отсутстви и кварков в свободном состоян и и и вечном и х
заточени и вн утри адронов, как «в вечном рабстве»: н и кто ещ е не ви дел кварков в
свободн ом , вне адронов, состояни и . О н и (кварки) н аходятся в вечн ом п лен у внутри
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
87
87
адрон ов: все п оп ы тки экспери м ен тальн ого обнаруж ения свободны х кварков до си х
пор остаю тся безусп еш н ы м и . П ространствен н ы м «м естож и тельством »
сущ ествовани я кварков является «терри тория» м еж ду радиусом протона 10
-13
см и
10
-1б
см , где он и м огут, и действительно свободно, « ж и ть»: за п ределам и этой
«терри тории» ни кто и н и когда и х н е ви дел. Зн ачи т, конф айн м ен т кварковой м атери и
заклю чается в отсутствии свободн ы х кварков. К варки н аходятся в вечн ом заточен и и
внутри структуры адрон ов, как в «тю рьм е», являясь ком п он ентам и (элем ен там и,
частям и ) этой структуры .
К он ф ай н м ен т как ф ундам ен тальн ая особен н ость кварковой м атери и , так ж е как
и дробн ы й ее заряд, — н еобы чн ая и спец и ф ическая особен н ость кварковой м одели,
которая н ам бы ла до си х п ор н еи звестн ой . Н о учен ы е ф и зи ки -элем ен тарщ и ки —
народ особы й: он и , придум ы вая и создавая сам ы е н еобы чн ы е, и зощ рен н ы е м етоды и
сп особы , ф орм ы и идеи ф и зического и м атем ати ческого, теорети ческого и
эксперим ен тального м ы ш лен и я и и н туи ц и и , постоянно п роникаю т в н еи зведан ны й и
неож и дан н ы й м ир м атери и , откры вая н ам м ир н еразгадан н ы й и таи н ствен н ы й. Н о
м ы знаем , что кварковы й м ир м атери и как реально ф и зи чески й сущ ествует, но м ы
знаем п ока только н е неп осредственн о, а косвен н о, опосредованн о в
эксперим ен тальны х эф ф ектах, как м ы из вели колепного экспери м ента вели кого
Р езерф орда узнали о п ротон е, как входящ ем в ядро атом а: кварки являю тся
структурны м и ком понен там и п ротон а. О тн ы н е п ротон, как и други е все адрон ы , как
части ц ы си льно взаи м одействую щ ие, не является элем ентарн ы м в см ы сле
ф ун дам ен тальн ы х части ц : ф ундам ен тальны м и части ц ам и являю тся кварки как
субм и крочасти ц ы , при н и м аем ы е нам и как точечн ы е и бесструктурн ы е.
И так, конф айн м ент — удивительное явлени е в кван товом м ире: кварки
находятся в п ож изн енн ом заклю чении вн утри адрон а. И , безусловн о, ф изики -
теорети ки со д н я обн аруж ени я кварков косвен н ы м п утем п ы таю тся п он ять этот
странн ы й ф ен ом ен — кон ф ай н м ен т — и най ти теоретическое объясн ени е этом у
ф акту, столь н еобы чном у и н еож идан н ом у: объяснен и е кон ф ай н м ен та находят в
принципе асим птоти ческой свободы .
В чем состои т суть асим птоти ческой свободы как при н ц и п а кваркового
кон ф ай н м ен та? О н а состоит из следую щ и х п олож ен и й .
Во-первы х, кварки как структурны е ком п он енты адронов сущ ествую т не как
сам остоятельны е субстан ц и и , а связаны м еж ду собой н и тям и как струн ам и, т. е.
кварки связаны м еж ду собой в структуре адрон а определен н ы м и струн ам и . И н ы м и
словам и, связи кварков м еж ду собой струн н ы е. Зн ачи т, первое предп олож ен и е
асим птоти ческой свободы кваркового кон ф айн м ен та состои т в допущ ени и струн н ой
м одели кон ф ай н м ен та кварков: кварки связаны м еж ду собой н атянуты м и струн ам и.
Во-вторы х, кварки хотя связы ваю тся м еж ду собой энергетически натян уты м и
струн ам и, он и «чувствую т» себя свободны м и в «передвиж ен и и » н а территории в
пределах радиуса 10
-16
см . С уть струн н ой м одели заклю чается в том , что на м алом
расстояни и 10
-16
см кварки сущ ествую т как свободн ы е в свои х «действиях», а н а
больш ом расстоян и и 10
-13
см происходи т спонтанны й катастроф и чески й рост
энерги и натянутой м еж ду кваркам и струны . П ри поп ы тке одн ого и з кварков вы й ти за
пределы 10
-13
см эн ергети чески н атян утая струн а м гн овенн о обры вается и
м ом ентальн о н а концах обры ва струн ы п оявляю тся кварк и антикварк, и таки м
образом снова кварки , связанн ы е струн ам и, остаю тся в вечном , п ож и зн енн ом
заклю чени и внутри адрона, как в тю рьм е, где си дят все п ож изн енн ы е заклю ченны е.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
88
88
Н аглядн ы м при м ером м ож ет служ ить ки н оф и льм П итера У стинова «С партак», в
котором в сам ом начале ф ильм а показы вается кам ен олом ня, где цеп ям и скованн ы е
м еж ду собой рабы работаю т: они свободн о п ередвигаю тся в пределах расстояни я
закованны х ц епей. О днако как только один из рабов устрем ится дальш е за предел
этого расстояния, м ом ентально н атягивается ц епь и н е п ускает раба за п ределы эти х
цеп ей. Т ак раб остается рабом в вечном рабстве: кварки такж е п о струн н ой м одели
находятся в вечном рабстве вн утри адрона. В этом состои т конф айн м ент кварковой
м атерии, теорети ческое объяснени е которого на осн овани и п ри н ц и п а
асим птоти ческой свободы п редлож или ам ери канские ф и зи ки -теорети ки в 70-е гг.
прош лого столетия.
И так, м ы отм етили две ф ундам ен тальн ы е особенности п остроения кварковой
теори и : дробн ость заряда кварков и кон ф ай н м ен т как отсутстви е свободны х кварков.
В -третьих, наиболее ф ундам ен тальн ой и деей кварковой теори и является пон яти е
цвет: кварки обладаю т ц ветовы м зарядом (цвет как пон яти е н е им еет н и чего общ его с
оптически м терм и н ом ц вет). М ы говорим о цветовом заряде как ф ундам ен тальн ом
поняти и кварковой теории, п отом у что на сегодняш н и й день абсолю тно
сохран яю щ и м и ся законам и в ф и зи ке элем ен тарны х частиц два закон а сохранени я:
закон сохранен и я электрического заряда и закон сохран ени я цветового заряда. А все
остальн ы е закон ы сохран ени я, бари он н ого, леп тон н ого, м ю он ного и т. д. зарядов
часто наруш аю тся: и х н ельзя счи тать абсолю тн ы м и законам и сохран ени я, и бо он и
все н е сохран яю тся и н аруш аю тся в тех и ли и н ы х процессах ф и зических
взаи м одействий м еж ду элем ен тарны м и частицам и.
К ром е того, п ри переходе от кварковой м одели к квантовой хром одинам ике как
квантово-полевой кали бровочной теори и кварк-глю онн ы х взаи м одей ствий пон яти е
цвет как ф ундам ентальное и ун и версальное леж и т в осн овани и ее ф ун дам ен та:
1) закон сохранен и я цветового заряда являю тся абсолю тн о сохран яю щ и м ся закон ом
природы ;
2) сам и кварк-глю он н ы е взаи м одей ствия как си льны е — цветны е взаим одействия,
которы е отличаю тся по силе и м ощ ности от си льны х адр онны х взаи м одействий;
3) п оэтом у кван тово-полевая кали бровочная теори я кварк-глю он н ы х взаи м одействи й
назы вается кван товой хром один ам и кой (п о -гречески хром оc — цвет).
И так, особен н остям и п остроени я кварковой м одели являю тся:
1) дробность кваркового заряда;
2) кон ф ай н м ен т как отсутстви е свободны х кварков;
3) цветовой заряд.
Л оги к а р ек он стр ук ц и и К Х Д
Д альш е м ы рассм отрим К Х Д как квантово -полевую кали бровочную теори ю
кварк-глю онны х ц ветны х взаим одей ствий — SU
(3)c
. (SU
(3)c
.— сп ец и альн ая групп а
си м м етри и .)
1. П ервы й вопрос, н а котором м ы долж н ы останови ться, преж де чем
рассм отреть К Х Д , — это воп рос о кварках как аром атах: все кварки н азы ваю тся
аром атам и и как аром аты они тож дественн ы , и денти чны . И так, все кварки как
ф ун дам ен тальн ы е субм и крочасти ц ы аром ати чн ы : по аром ату кварки тож дественн ы .
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
89
89
М ы п ри и сследовани и кварковой м одели и м еем дело только с трем я кваркам и -
аром атам и: u, d и s (верх — и, ни з — d и странны й кварк — s). К н астоящ ем у
врем ени в п рироде известны ш есть кварков: к трем аром атам -кваркам — u, d и s —
прибави ли сь ещ е три , более тяж елы е кварки -аром аты : с, b и t (charm — очарован и е,
bottom — низ и top — верх, ин огда вм есто bottom назы ваю т b — beauty — п релесть, а
вм есто top — truth — и стин а).
Н а сегодн я н ам и звестны ш есть аром ати чески х кварков — u, d, s, с, b и t. u и d
назы ваю тся вален тны м и кваркам и. С о странн ы м кварком -аром атом связано реш ен и е
м н оги х загадочн ы х проблем :
1) аром атический странн ы й кварк м ассивнее, чем валентны е u и d;
2) как м ы ви дели п ри анали зе ун и тарного декап лета, и м ен н о стран н ы е кварки ,
входящ ие в состав изом ульти п летов, реш аю т п роблем у унитарн ой сим м етри и как
октетного, так и декап летного м ультип летов;
3) сам ы м зам ечательн ы м ф актом следует п ризнать тот ф акт, что в структуру частицы
ом ега-м инус-ги п ерон а входят три странн ы х аром ати чески х, т. е. оди н аковы х ,
иден тичн ы х, тож дественны х, кварков — s, s, s. Н а этом следует более подробно
останови ться, и бо с поп ы ткой теоретического осм ы слени я структурн ы х
ком п он ентов части ц ы ом ега-м инус-ги п ерона связано кон струи рован и е п он яти я
цвета, которое явилось и является осн овоп олагаю щ ей и деей и п ри н ц и п ом
построен и я К Х Д как квантово -полевой кали бровочной теори и кварк-глю онны х
цветны х взаи м одействий — SU
(3)с
(где сим вол с означает ц вет). Зн ачит, К Х Д
си м воли чески означает SU
(3)с
.
М ы вы ш е неодн ократн о отм ечали , что ун и тарны й декап лет явился клю чевы м
м ом ентом (трам плином ) построен и я кварковой м одели и перехода от этой м одели к
ф орм и ровани ю К Х Д .
П очем у? В чем состои т клю чевой м ом ен т в п остроен и и К Х Д ? И так, ом ега-
м и н ус-гиперон в своей структуре в качестве ее ком п он ен тов содерж ит три
одинаковы х аром атических стран н ы х кварка — s, s, s, абсолю тн о п роти воречащ их
закон у запрета П аули , согласно требовани ю которого соверш ен н о н едопусти м о
нали чие в одном и том ж е квантово -м ехани ческом состояни и двух и более
одинаковы х, иден тичн ы х, т. е. сим м етри чн ы х, частиц: создалась интересная
познавательная и теорети ко-м етодологическая си туаци я. С оздалась какая-то
ан ти н ом ичная (т. е. на п ервы й взгляд н еразреш им ая п роти воречи вая) си туаци я: с
одной стороны , ом ега-м ин ус-гиперон долж ен состоять и з трех аром ати ческих
странн ы х кварков — s, s, s по всем требованиям декаплета ун и тарн ой си м м етри и , с
другой стороны , сущ ествует закон П аули о запрете нали чи я в одн ом и том ж е
квантово-м ехан и ческом состоян и и двух и более оди н аковы х, и денти чн ы х,
тож дественн ы х, т. е. си м м етричны х, части ц .
И вы даю щ ейся заслугой ф и зи ка-теорети ка О скара Г ринберга (С Ш А ) является
блестящ ее и элегантн ое разреш ен и е н еразреш и м ого противоречи я м еж ду нали чи ем
трех оди н аковы х аром атов-кварков s, s, s в структуре ом ега-м и н ус-гиперон а и
закон ом запрета П аули : реш ени е сам ое п ростое, как все гени альное. Г ри н берг
вообщ е всем кварковы м аром атам как оди н аковы м , сим м етри чн ы м части ц ам придал
дополни тельн ую степен ь свободы — цвет: одинаковы е кварки -аром аты долж н ы
различаться п о ц вету — красн ом у, зеленом у и си н ем у, а ан ти аром аты -ан тикварки —
по анти ц вету — голубом у, розовом у и ж елтом у. И ны м и словам и, каж ды й аром ат-
кварк и м еет право находи ться в одном и з трех цветовы х состояний: в красн ом , в
зелен ом , или в
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
90
90
си н ем состояни и , а ан тиаром ат-ан тикварк — в одн ом и з трех ан тиц ветовы х
состояний — в голубом , розовом или ж елтом .
С точки зрени я ф и лософ ии, главн ы й см ы сл гри н берговского разреш ен и я
ан ти н ом ии м еж ду н али чи ем трех одинаковы х аром атически х странн ы х части ц в
качестве структурн ы х ком пон ентов части ц ы ом ега-м и н ус-гиперон — s, s, s и законом
зап рета П аули заклю чается в том , что блестящ ее и элегантн ое реш ени е
гносеологи ческого и логи ческого п ротиворечия привело к онтологии реального
диалекти ческого п роти воречи я: аром атически е кварки различаю тся п о ц вету. Т очнее,
признание он тологи и реальн ого п роти воречи я явилось объекти вны м осн овани ем
разреш ен и я гносеологического и логи ческого противоречия: аром аты все
си м м етри чн ы и они ж е по цвету асим м етри чн ы . О т ди алекти ки природы никуда не
ден еш ься.
С ледовательно, три аром ати чески х стран н ы х кварка — s, s, s — м огут
находи ться в структуре части ц ы ом ега-м и н ус-гиперон , ибо они различаю тся п о ц вету
— красн ы й странны й кварк — s
K
, зелены й странн ы й кварк — s
З
и си н и й странн ы й
кварк — s
c
. П оэтом у конц епц и я цветовы х аром атов кварков ещ е раз по дтверди ла
сп раведливость п ри суж ден и я Г елл -М ан н у Н обелевской прем ии за теорети ческое
ф и зи ческое и м атем ати ческое п редсказани е стран н ой частицы ом ега-м ин ус-гиперон ,
зап олнивш ей дн о декап лета ун и тарн ой сим м етри и .
А теперь м ы долж ны останови ться на рассм отрени и проблем ы глю онов, преж де
чем п ерейти к ан ализу при роды и сущ н ости К Х Д .
Г лю оны (glue — клей п о-англи й ски) — это п ром еж уточн ы е векторн ы е части ц ы ,
через п осредство которы х осущ ествляю тся кварк-глю он н ы е ц ветны е
взаи м одействия. Г лю он ы как п ром еж уточн ы е вектор ны е части ц ы бы ли откры ты и
обнаруж ены в результате разреш ен и я гносеологи ческого и логи ческого
противоречия: сум м а и м пульсов кварков составляла лиш ь 50 % сум м ы и м пульсов
протон а, в состав которого входят кварки. Э то обстоятельство реальн о
противоречило закон у аддити вн ости, согласн о требовани ю которого сум м а
им п ульсов частей долж на соответствовать (т. е. долж на бы ть равна) сум м е
им п ульсов целого. О дни м словом , сум м а и м п ульсов кварков, содерж ащ ихся в
протон е как целом , долж н а бы ть равна сум м е им пульсов ц елого, т. е. протон а.
О дн ако сум м а и м пульсов кварков, как м ы отм етили уж е, составляет ли ш ь 50 %
сум м ы им п ульсов протон а, поэтом у возник вопрос: а куда девалась остальная
половин а (50 % ) им пульсов частей п ротона как ц елого? Здесь такж е проявилась
проф есси он альная ин туи ц и я ф и зи ков-теорети ков: остальн ую , недостаю щ ую
половин у (50 % ) сум м ы и м п ульсов заби раю т каки е-то другие части ц ы в п ротон е как
целом .
А каки е части ц ы м огут бы ть в структуре п ротона (адрон ов вообщ е) кром е
кварков? Е стественно, что в структуре п ротон а м огут н аходи ться кром е кварков
только п ром еж уточн ы е векторны е части ц ы — бозон ы , осущ ествляю щ ие цветн ы е
кварковы е взаи м одей ствия: эти бозоны , которы е служ ат «склеи ваю щ им и » кварки
части ц ам и, бы ли названы п о -ан глий ски глю онам и .
Т ак бы ла сф орм улирована и дея о глю он ах как п ром еж уточн ы х векторны х
бозон ах, осущ ествляю щ и х кварк-глю он н ы е ц ветн ы е сильны е взаим одействи я.
Г лю онов всего восем ь: 6 и з н и х ц ветн ы е, а остальны е два глю она — нейтральны е, т.
е. бесц ветн ы е. Т ак бы ла разреш ена п роблем а недостаю щ ей полови н ы сум м ы
им п ульсов частей : сум м а и м пульсов 8 глю онов п лю с сум м а и м п ульсов трех кварков
равн о сум м е и м пульсов п ротона как целого. Т ак бы ла восстан овлен а сп раведливость
и незы блем ость закона аддити вн ости : онтология глю онов оп ять ж е разреш ила
логическое и гн осеологи ч еское проти воречи е, возни каю щ ее в ходе н аучн ого
познани я. Л оги чески й