Впервые в физике микромира появляется убедительная система новых частиц. Впервые их перепись приобретает очертания законченности, порядка. И это должно сыграть не меньшую роль, чем для химии и физики — открытие Менделеевым периодического закона химических свойств атомов.
Эта аналогия не случайна. Еще до Менделеева делались попытки свести в какую-то систему свойства химических элементов. Один из химиков того времени нащупал тройки близких по свойствам элементов, например тройку из лития, натрия и калия (только спустя много лет выяснилось, что на самом деле это не тройка, а шестерка: к ней добавились еще три более тяжелых химических элемента). Другой расположил элементы по восьмеркам так, что в следующей восьмерке элементы повторяли химические свойства предыдущей. Это уже было ближе к истине. И лишь гениальная догадка Менделеева свела воедино эти разрозненные попытки в замечательную систему.
В современной физике частиц наблюдается нечто подобное. Сначала единицы, двойки и тройки изотопических мультиплетов. Затем восьмерки и десятки супер-мультиплетов. Что же последует дальше?
Не надо придавать особого значения «магии» чисел. Из того, что восемь — ключевое число периодической системы химических элементов (восемь типов валентности), вовсе не следует, что оно столь же «магическое» число и в мире частиц.
Разные миры — разные законы.
Объяснить химическое значение восьмерки смогла квантовая механика. Именно она доказала, что на самой внешней электронной оболочке атома не может быть более восьми электронов. А эти-то электроны и ответственны за химическое поведение атомов.
В мире частиц квантовой механике приходится куда труднее. Здесь, видимо, совсем иные закономерности, нежели в мире атомов. Здесь она, как правило, вынуждена не решать проблемы в лоб, а прибегать к обходным маневрам. Один из таких маневров — обращение ее к группам унитарной симметрии.
Да уже и не к одной группе третьего порядка. Совсем недавно, в 1964 году, трое физиков-теоретиков — Гюрши, Паис и Сакита — предложили «дополнить» группу третьего порядка «обыкновенным» спином частиц — тем самым, что приведен у нас в переписи. Группу пришлось расширить — теперь она стала группой унитарной симметрии шестого порядка.
Одно время высказывались опасения, что эта группа не пролезет в физический «рай» сквозь те узенькие врата, о которых мы уже упоминали в главе, посвященной позитрону. Эти врата — требование релятивистской инвариантности. Не думайте, что те математические постройки, которые сегодня возводят физики, автоматически застрахованы от неудачи! Нет — на каждом шагу их нужно проверять. И только буквально несколько месяцев назад ученые облегченно вздохнули: удалось доказать, что эта группа проходит сквозь врата инвариантности.
Порядок выше — группа многочисленнее. Группа шестого порядка включает уже 35 мезонов и 56 барионов. Ряд предсказываемых ею частиц еще не открыт, но за ними сейчас ведется энергичная охота. Возрастание порядка группы — это, если можно так выразиться, больший порядок в мыслях и представлениях физиков о мире сверхмалых частиц.
Изотопический и «обычный» спины, унитарная симметрия — и в итоге почти что сотня частиц. Из какого же семени разросся этот многоцветный букет частиц? Есть ли среди них основные, фундаментальные частицы, частицы-производители, родившие все остальные в результате тонкой и сложной игры сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействий?
Примерно десять лет назад японский физик Саката высказал мысль: такие фундаментальные частицы есть. И назвал их: протон, нейтрон и ламбда-гиперон. Они по многим причинам подходили на эту роль. И особенно, казалось, эта мысль и этот выбор исходных частиц подтверждаются с открытием и изучением слабых взаимодействий в последующие годы.
Но вот незадача: из этой тройки частиц должны были возникать группы, состоящие из 6 и 15 частиц. А такие группы на опыте никак не удавалось обнаружить.
Поэтому физики отложили гипотезу Сакаты, тем более что потом ее заслонили группы из восьмерок и десятки частиц. Но история повторяется.
В последнее время снова большое место в мыслях физиков заняла гипотеза о фундаментальных частицах — трех китах, на которых стоит микромир. Но это уже не те частицы, которые предлагал Саката. Среди известных частиц этих нет.
Авторы новой гипотезы Гелл-Манн и Цвейг называют эти частицы по-разному: один — «кварками», другой — «тузами». Ну, вот, теперь в пасьянсе появляются и тузы, «карточная колода» частиц, кажется, приобретает законченный вид.
«Тузы» воистину удивительны — не массой, не спином, а другими признаками. Оказывается, такие величины, как барионный заряд и странность, для них должны быть дробными! Что ж, может сказать читатель, этому дивиться бы не стоило: обе упомянутые величины введены физиками чисто условно, за ними нет наглядного физического смысла.
Ладно, допустим, что читателя не удивит вытекающее отсюда и из закона сохранения барионного заряда, скажем, такое положение: «в каждом взаимодействии должна сохраняться треть туза!» Но можно надеяться, что у него все же вызовет изумление такое свойство «туза»: его электрический заряд тоже должен быть дробным, составляя 2/3 или 1/3 от заряда электрона.
Можно полагать, что читатель, почерпнувший из всех учебников твердую уверенность в том, что электронный заряд есть самый маленький заряд на свете, уже более не дробимый, будет все же заинтригован. Может быть, он даже скажет, как некий посетитель зоопарка, впервые в жизни увидевший жирафа: «Быть такого не может!»
Во всяком случае, «тузов» еще никто не обнаружил. Возможно, из-за предсказываемой немалой их массы: они должны быть не менее чем в 6000 раз массивнее электрона. А самые тяжелые из найденных пока что «резонансных» частиц по массе только еще подбираются к 4000 электронным.
Все может быть. Но, может быть, окажутся правы и те из сегодняшних физиков, которые, сжав в тисках голову, сидят в своих кабинетах и бормочут наподобие сумасшедшего Германа из пушкинской «Пиковой дамы»: «Тройка, восьмерка, туз, тройка, восьмерка, туз!»
Вот так и сняла современная физика вопрос об «элементарности» частиц микромира. И в последние годы ученые вообще избегают пользоваться в применении к частицам словом «элементарный».
Стало совершенно неоспоримым, что все частицы имеют некую внутреннюю структуру. Но ее не понимают так, будто бы частицы сами состоят из каких-то еще меньших субчастиц.
Нет, структура частиц — нечто зыбкое, текучее, постоянно меняющееся, то, что определяется всеми взаимодействиями, в которых участвует частица, всеми распадами, которые она может претерпеть, всеми частицами, которые она может породить.
И обратно, все взаимодействия, распады и рождения определяются структурой самих частиц. Оторвать одно от другого невозможно.
В самом деле, частиц без взаимодействий не существует, взаимодействий без частиц — тоже. Нельзя в атомном мире запереться на замок и не отвечать на звонки, стать невидимым и неслышимым. Одиночество в этом мире — вещь совершенно немыслимая.
Каким же зондом можно влезть в частицу, чтобы прощупать ее нутро? Каким лучиком осветить ее, чтобы увидеть ее структуру? Увы, мы знаем, что это невозможно. Внутрь частиц заглянуть нельзя. «Частицы абсолютно безнадежно невидимы», — печально молвил как-то американский физик Роберт Хофстадтер.
И он же предпринял замечательные опыты, которые позволили физикам глубоко заглянуть в недра протона и нейтрона! Но, конечно, заглянуть не в буквальном смысле. Хофстадтер сумел обойти препятствие, воздвигнутое на его пути соотношениями неопределенности Гейзенберга.
Впрочем, Хофстадтера натолкнул на идею давно уже покойный Эрнест Резерфорд. Теми самыми опытами, какими Резерфорд убедился в существовании атомного ядра.
Помните? Он посылал на атом целую стаю альфа-частиц и наблюдал, как они разлетались в разные стороны после прохождения сквозь атом. Что творилось при этом в самом атоме, Резерфорд не знал. Но он зато узнал, что положительный заряд в атоме не размазан, а весь сосредоточен как бы в крошечном шарике — в ядре. Узнав, как распределен заряд в атоме, Резерфорд выяснил его структуру.