Книга Дао физики. Исследование параллелей между современной физикой и восточной философией - Фритьоф Капра

Подход, характерный для теорий калибровочной инвариантности, распространился и на сильные взаимодействия благодаря возникновению теории поля под названием квантовая хромодинамика (КХД). Многие физики пытаются добиться ее «великого объединения» с теорией Вайнберга — Салама. Но использование теорий калибровочной инвариантности для описания сильно взаимодействующих частиц рождает немало проблем. Взаимодействия между адронами настолько сильны, что различие между частицами и силами размываются. Поэтому КХД плохо подходит для описания процессов с участием сильно взаимодействующих частиц. Исключение — специфические «явления», так называемые глубокие неэластичные процессы рассеивания, в ходе которых частицы по непонятным причинам ведут себя почти так же, как самостоятельные объекты классической физики. Физикам не удалось распространить сферу применения КХД на явления вне этой узкой области. Надежды на то, что КХД станет теоретической основой для объяснения свойств сильно взаимодействующих частиц, до сих пор не оправдались[292].

КХД — современный математический аппарат кварковой модели (см. главу 16): поля ассоциируются в ней с кварками, а слово «хромо» относится к цветам кварковых полей. Как и все теории калибровочной инвариантности, КХД возникла позже квантовой электродинамики (КЭД). В КЭД электромагнитные взаимодействия рассматриваются как обмен фотонами между заряженными частицами, а в КХД сильные взаимодействия осуществляются путем обмена «глюонами» между разноцветными кварками. Глюоны — не реальные частицы, а одна из разновидностей квантов, которые «приклеивают» кварки друг к другу (английское слово glue, от которого образовано название глюонов, имеет значение «клей», «приклеивать»), что ведет к возникновению мезонов и барионов[293].

В результате открытия большого количества новых частиц в ходе экспериментов по рассеиванию с применением всё более высоких энергий кварковая модель была существенно расширена и уточнена. Каждый из первоначально постулированных кварков, получивших обозначения соответственно u (вверх), d (вниз) и s (странность), должен был существовать в трех разных цветах. Затем ученые постулировали существование и четвертого кварка, получившего аромат charm (прелесть). Впоследствии к модели добавились t и b, обозначающие top и bottom, соответственно «вершина» и «дно» (или более романтически — true и beautiful, т. е. «истинность» и «красота»). Общее число кварков стало равным 18 — шести ароматам, помноженным на три цвета. Неудивительно, что многим физикам такое многообразие фундаментальных «кирпичиков» мироздания не понравилось. Они начали говорить о необходимости подумать о «подлинно элементарных» частицах, из которых и должны состоять кварки…

Несмотря на все это теоретизирование и моделестроительство, экспериментаторы продолжали заниматься поисками свободных кварков, но не обнаружили их. И в этом основная проблема кварковой модели. В теории КХД это получило название «кваркового конфайнмента» (ограничения). Ученые предположили, что по каким-то неизвестным причинам кварки постоянно пребывают в «ограниченном» состоянии внутри адронов и не могут предстать перед нашими глазами. Было разработано несколько моделей, объясняющих явление конфайнмента, но это не привело к появлению более или менее последовательной теории.

Таково нынешнее состояние кварковой модели. Для объяснения всех явлений в мире адронов необходимы по крайней мере 18 кварков и 8 глюонов. Ни один из них не был обнаружен в несвязанном состоянии. Их существование в качестве физических составляющих адронов привело бы к возникновению серьезных теоретических сложностей. Для описания постоянного конфайнмента кварков выдвигалось несколько моделей, но ни одна из них не стала подходящей динамической теорией, в то время как и сама КХД, представляющая собой теоретический каркас кварковой модели, может использоваться только по отношению к очень узкому кругу явлений. Невзирая на все эти проблемы, большинство физиков до сих пор привержено идее «строительных кирпичиков» материи, которая так глубоко укоренилась в западной научной традиции.

Пожалуй, самые впечатляющие события в физике частиц произошли в теории S-матрицы и гипотезы бутстрапа (см. главу 17 и главу 18), которые не признают фундаментальных сущностей, а стремятся истолковывать природу мироздания исключительно через ее самосогласованность. Я считаю гипотезу бутстрапа кульминацией современной научной мысли, и именно в этом своем проявлении современная физика ближе всего к восточной философии — как в смысле понимания общей картины мира, так и во взглядах на строение материи. Но философия бутстрапа — очень сложное явление в физике, и ее поддерживают немногие ученые. Большинство физиков видят в бутстрапе нечто чуждое их традиционному мышлению. Та же ситуация и с теорией S-матрицы. Не только любопытным, но и очень значимым представляется то обстоятельство, что, хотя основные понятия теории S-матрицы используются в физике частиц всеми учеными при анализе результатов экспериментов по рассеиванию и сравнении результатов с предсказаниями их теорий, до сих пор ни одному из выдающихся физиков, которые внесли свой вклад в развитие теории S-матрицы, с 1960-х до начала 1980-х не была присуждена Нобелевская премия.

Основная задача теорий S-матрицы и бутстрапа заключалась в том, чтобы объяснить кварковую структуру субатомных частиц. Теперешнее понимание субатомного мира исключает возможность существования кварков в виде физических частиц, но адроны явно обладают кварковыми симметриями, которые должна объяснить теория сильных взаимодействий. Теории бутстрапа не удалось объяснить эти поразительные закономерности, но в рамках теории S-матрицы был сделан серьезный прорыв, и возникла теория бутстрапа частиц, которая способна объяснить кварковую структуру, не постулируя при этом существования физических кварков. Новая теория бутстрапа дает ответ на несколько вопросов, которые были ранее непонятны ученым[294].

Для понимания сущности нового прорыва необходимо установить значение кварковой структуры в контексте теории S-матрицы. Если в кварковой модели частицы выглядят почти как бильярдные шары, содержащие шары меньшего размера, то теория S-матрицы, использующая целостный и динамический подход, рассматривает частицы как энергетические структуры, возникающие в ходе происходящих во Вселенной процессов. Она рассматривает их как корреляции и взаимосвязи между разными участками неразрывной космической сети. В таком контексте термин «кварковая структура» используется для обозначения того, что перемещения энергии и информации в сети происходят вдоль некоторых четко определенных линий, что порождает двоичность, связанную с адронами, и троичность, связанную с барионами. Это динамический эквивалент утверждения, что адроны состоят из кварков. В теории S-матрицы нет самостоятельных фундаментальных сущностей и «строительных кирпичиков»; здесь мы имеем дело только с потоками энергии, обнаруживающими ряд четких закономерностей.