Брызги материи (часть 2)

Продолжение. Начало статьи - читать.

Продолжение осмотра — переулок монстров
Все клетки здесь пустые. Их обитателей еще только  предстоит  поймать.   В  разных  странах этим занимаются большие отряды физиков, вооруженные самой совершенной техникой. Хотя клетки пустые, на каждой из них висит составленная теоретиками табличка с описанием повадок чудовищ.
Вот над одной из клеток с толстыми прутьями крупная надпись: «Магнитный монополь». И ниже красными буквами: «Осторожно! Частица-убийца!» Это изолированный магнитный полюс. Южный без северного или северный без южного. Расчеты показывают, что такой полюс, находясь рядом с протоном, будет сливаться с ним в единую очень неустойчивую систему, которая практически мгновенно распадется на позитрон и мезоны, один или несколько. И среди осколков опять присутствует монополь, готовый к «убийству» следующего протона, и так далее. Монополи разрушают окружающее их вещество.
Но существуют ли в природе такие страшные частицы? Ведь хорошо известно, что, разрезав магнит, нельзя получить двух кусков с разными магнитными зарядами, каждый из кусков снова оказывается магнитом с двумя полюсами.
Все это так. Окружающее нас атомарное вещество действительно содержит лишь электрические заряды. Но, может быть, частицы с магнитным зарядом удастся изготовить искусственно, например с помощью ускорителей, как создают сегодня атомы антивещества? Или, возможно, такие частицы существуют где-то в далеком космосе и нам следует иметь в запасе какие-то средства защиты на случай, если кусок магнитного вещества вдруг вторгнется в нашу родную Солнечную систему?
Впрочем, магнитные монополи могли бы сослужить нам хорошую службу. При разрушении протонов выделяется огромная энергия, и будь в нашем распоряжении килограмм монополей, удалось бы удовлетворить все энергетические потребности человечества.
Понятно, как важно было бы «изловить» магнитный монополь. Физики-теоретики тщательно проанализировали условия, при которых он может рождаться. Выяснилось, что эти условия не выходят за пределы известных нам физических законов и в принципе могут реализоваться в природе, однако частицы, несущие на себе магнитный заряд, должны быть необычайно тяжелыми, по меньшей мере в 10'6 раз тяжелее протона.
Как известно, теория и астрофизические наблюдения говорят о том, что Вселенная (по крайней мере ее видимая нами часть, то, что мы называем «окружающим миром») 15—20 миллиардов лет назад родилась в условиях гигантских температур и огромных перепадов давлений. Вот тогда в первородном мире могли образоваться тяжелые монополи. И подобно сумчатым животным в Австралии, в космосе где-то могли сохраниться реликтовые магнитные частицы. Они очень редки, так как иначе было бы заметно их опустошительное действие в окружающем веществе. Но, может быть, физикам повезет, и они когда-нибудь смогут поймать хотя бы одну такую частицу.
Пожалуй, мы несколько задержались возле клетки монополя, но уж очень необычны повадки этого «зверя»! Зато у следующей клетки остановимся лишь на минутку. Она приготовлена для максимона — еще одного монстра, вычисленного теоретиками. Это самая тяжелая элементарная частица из всех, какие только могут быть. Ее масса в сотни раз больше, чем у магнитного монополя,— что-нибудь около микрограмма. Как у крупной, видимой глазом пылинки. Такого мастодонта и элементарным-то называть как-то неудобно!
Максимой так тяжел, что проваливается сквозь дно любого сосуда и «прокалывает» Землю вплоть до ее центра, поэтому, как, вообще говоря, и для магнитного монополя, его клетка должна быть сделана из магнитных полей. Если, конечно, они на него действуют, ведь о свойствах максимона (эту «суперчастицу» предсказал советский академик М. А. Марков) известно очень мало. Пока физики не очень уверены в существовании такой сверхтяжелой частицы. Теоретические прогнозы не всегда оправдываются. Впрочем, как знать...
Наконец, у самого выхода из зоопарка элементарных частиц расположен загон для фаер-болов. По-английски «фаербол» — огненный шар. Это что-то похожее одновременно на блуждающую шаровую молнию и на ослепительно яркий сгусток атомного взрыва. Только в микроскопических масштабах. По мнению некоторых физиков, такие фаерболы образуются при столкновениях сильно разогнанных, обладающих очень высокой энергией частиц. Образуются и почти мгновенно распадаются на более легкие частицы.
Скептики шутят, что фаербол похож на знаменитое чудовище из шотландского озера Лох-Несс. Говорят о нем давно, но до сих пор неизвестно, существует оно на самом деле или нет. Одни его видят, другие — нет. Может, фаерболы — вовсе и не элементарные частицы, а какие-то более сложные образования. Не зря их загон расположен у выхода из зоопарка...

Закрыто на учет
Итак, целая россыпь — сотни элементарных частиц! Как разноцветный бисер, на любой глаз и вкус! Трудно, однако, согласиться с тем, что природе действительно понадобилось такое огромное количество простейших «строительных деталей». Тем более, что весь мир можно скомпоновать всего из четырех таких деталей — электрона, нуклона, пи-мезона и фотона. Пи-мезоны нужны, чтобы «слепить» из нуклонов плотные ядра, а фотоны и электроны — чтобы «сплести» ажурные конструкции атомов и молекул. Все остальные частицы кажутся просто лишними. Зачем они, если и без них можно обойтись? Когда слышишь такой вопрос, невольно вспоминаешь, как неискушенный в деле человек пытается починить часы. У него всякий раз что-нибудь да остается: то винтик, то шайбочка. И хотя поначалу кажется, что все в порядке, часы идут, вскоре они почему-то ломаются. Так и с частицами. У природы нет лишних «деталей». Если назначение некоторых из них остается неясным, это говорит лишь о невысоком уровне наших знаний.
Когда смотришь на богатую россыпь частиц, первое, что хочется сделать, это попытаться все-таки выделить какие-то «наиболее элементарные» частицы, из которых можно составить все остальные. Говоря словами американского физика Ф. Фейнмана, затратившего много усилий на систематику элементарных частиц, такие попытки — что-то вроде детской игры в кубики, из которых нужно собрать целую картинку. Кубиков великое множество, и с каждым днем их становится все больше. Многие валяются в стороне и как будто бы не подходят к остальным. Как определить, из одного ли они набора? Откуда известно, что вместе они должны составить цельную картинку? Полной уверенности нет, и это несколько беспокоит. Вселяет надежду лишь наличие у многих кубиков чего-то общего: на всех нарисовано голубое небо, все они сделаны из дерева одного сорта.
Игрой в частицы-кубики занимались многие. Ей отдали дань самые известные и талантливые физики. И ничего не вышло: оказалось, все частицы в равной степени элементарны. Среди них  нет «более  простых»  и  «более  сложных».
Однако их можно разбить на семейства, и членов каждого рассматривать как различные состояния одной и той же частицы (вспомним еще раз об аналогии с лампочкой, которая меняет свой цвет). Так были найдены семейства, содержащие всего лишь по одной частице. Это мезоны-холостяки.
Семейства объединяются в более сложные группы — кланы. Физики называют такие семейства мультиплетами, а кланы — супермуль-типлетами (от слова «мульти», много). Сегодня хорошо изучены супермультиплеты, состоящие из 35 и 56 частиц.
Кроме того, выяснилось, что часть короткоживущих частиц можно считать сильно «нагретыми» (физики говорят — возбужденными) состояниями остальных.
И самое главное, мультиплеты и супермультиплеты, оказывается, не являются совершенно изолированными друг от друга, а связаны определенными родственными отношениями — правилами симметрии.
Если бы частицы, как людей, регистрировали в паспортном столе, то члены семьи-мультиплета имели бы общую фамилию. В клане-супермуль-типлете были бы представлены разные фамилии, но у всех семей — общие предки. Сами кланы тоже имеют единых прапрародителей.
В целом получается что-то вроде периодической системы элементарных частиц, наподобие той, с помощью которой сто лет назад Д. И. Менделеев навел порядок среди атомов химических элементов. И подобно тому, как менделеевская система помогла открыть неизвестные ранее элементы, симметрия мультиплетов также предсказывает существование новых элементарных частиц.
Глубокий смысл таблицы Менделеева стал понятен лишь после того, как физика шагнула на новую ступень структурной лестницы: выяснила, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Симметрия элементарных частиц также получила свое объяснение после того, как был открыт следующий ярус строения материи: кварки и связывающие их «клеевые частицы» — глюоны.

Кварковый подвал
Если быть последовательным, то прогулку по зоосаду частиц следовало бы начать с осмотра подземелья, где прячутся суперэлементарные глюоны и кварки. Это — шарики первичной «протоплазмы», из которой состоят элементарные частицы.
Опыт подсказывает, что кварковые шарики очень малы, по крайней мере раз в тысячу меньше протона, и их несколько сортов. Сначала физики думали, что три сорта, потом — шесть, а теперь уверены, что их значительно больше — целое семейство из восемнадцати близнецов-братьев, различающихся величиной электрического заряда, «странности», «прелести» и других параметров. Столько же «близнецов» насчитывает семейство антикварка. Объединяясь в различных комбинациях, кварковые и анти-кварковые братья образуют богатую россыпь элементарных частиц, значительно более разнообразную, чем атомные ядра, состоящие всего лишь из двух типов «кирпичиков».
После открытия кварков термин «элементарная частица» стал таким же условным, отражающим определенный исторический этап наших знаний,  как и  слово  «атом»   («неделимый» в переводе с греческого). Сами кварки сегодня считаются «самыми элементарными» частицами, и не только потому, что принадлежат к более «глубокому» этажу материи. Они обладают еще одним необычным свойством.
До сих пор всегда было так, что если некоторый объект состоит из частей, то их можно из него выделить — расщепить его на куски. А вот «вылущить» из вещества свободные кварки нельзя. Этому мешают особенности связывающих их глюонных сил, которые не уменьшаются при увеличении расстояния, как внутриядерные или электромагнитные силы, а, наоборот, возрастают. Похоже, как если бы между кварками была натянута резинка: чем дальше они расходятся, тем больше стягивающая их сила. По отношению к кваркам элементарная частица похожа на каплю резинового клея, жидкого внутри и затвердевшего снаружи. В центре частицы кварки чувствуют себя почти свободными, а когда пытаются выйти наружу, резко возрастает интенсивность глюонного «бадминтона» и стягивающие их «резиновые ремни» становятся очень прочными. Глюоны по своим свойствам сильно отличаются от фотонов и других передающих взаимодействие частиц-«воланчиков».
Глюоны и кварки — вечные пленники. Для них всякая элементарная частица — «резиновая тюрьма», из которой нет выхода. Они навсегда останутся для нас невидимками. Об их присутствии  нам  говорят лишь  косвенные эффекты.
С помощью «суперэлементарных» глюонов и кварков удалось построить изящную систематику элементарных частиц — теоретически вычислить все их мультиплеты, подобно тому как с помощью квантовой механики рассчитываются периоды и группы менделеевской таблицы химических элементов. Однако физиков беспокоит, что при этом остаются в стороне лептоны, их нельзя «слепить» из кварков.
Три «электроноподобных брата» — е, ц, т с тремя «собачками»-нейтрино и шесть античастиц — три «антибрата» и три «антисобачки». Эти упрямцы стоят особняком от других элементарных частиц и не хотят иметь с ними дела — взаимодействуют слабо. Все они почти точечные — раз в тысячу меньше остальных частиц. Такое впечатление, будто они сделаны из другого «теста». По размерам и по специфичности, выделенное™ своего поведения лептоны ближе к кваркам, чем к составным частицам — адронам.
А что если лептоны — такие же суперэлементарные частицы, как и кварки, только в силу каких-то еще не выясненных особенностей связывающих их сил они способны избежать «резинового плена»? Более того, не исключено, что лептоны и кварки — просто сильно различающиеся состояния одной и той же частицы — «кварколептона».
На основе этой гипотезы удается построить последовательную и очень красивую систематику, объединяющую все известные нам частицы. Правда, теория получается пока неоднозначной, и ее различные варианты предсказывают несколько отличающиеся семейства — мультиплеты. Экспериментаторам и физикам-теоретикам предстоит еще большая работа по уточнению ее параметров.

«Дно» природы
Поскольку все частицы связаны взаимодействием, они могут испускать и быстро поглощать обратно, «заглатывать» другие частицы. Вокруг каждой из них образуется «облако» распределенных в пространстве заряда и массы. Это облако экранирует «голую» частицу, изменяя ее свойства.
Если бы было можно заглянуть внутрь облачного покрова частицы, например так, как это делают на планете Венера с помощью спускаемых на парашютах станций-зондов, частица с различных высот выглядела бы заряженной по-разному. Именно так, всегда различно заряженными «видят» друг друга частицы при столкновениях. Чем больше их энергия, тем глубже они проникают друг в друга и тем отчетливее ощущают «дыхание» центральных, неэкранирован-ных зарядов. Это подтверждают и расчеты теоретиков: с ростом энергии сталкивающихся частиц различные типы взаимодействий — электромагнитные, глюонные и так далее — становятся все более близкими по своим свойствам и в области   очень   высоких   энергий   сливаются   в единое универсальное «супервзаимодействие». Происходит «великое объединение» — частицы объединяются в семейства-мультиплеты, а связывающие их силы оказываются различными проявлениями одного и того же взаимодействия. В логическом плане картина микромира значительно упрощается.
Можно предположить, что сила всемирного тяготения, сила гравитации,— тоже всего лишь одно из проявлений универсального взаимодействия, только его подсоединение происходит при крайне высоких энергиях, когда сталкивающиеся частицы сближаются на ультрамалые расстояния. Эта гипотеза относится к «теории суперсимметрии». В ней всего лишь два «первоэлемента» материи — частица и соответствующая ей античастица. Различие между «основными» частицами — зернами вещества и «вспомогательными» частицами — переносчиками взаимодействий здесь практически исчезает. «Первоэлементы» одновременно играют роль строительных блоков вещества и квантов цементирующих их силовых полей.
Картина строения вещества становится удивительно симметричной! Правда, пока это — чистая теория, следствия уравнений. Энергия частиц из ускорителей и даже самых быстрых приходящих на Землю частиц космического излучения значительно ниже тех, при которых наступает такая «суперсимметрия», и эксперимент пока не может помочь физикам.
Возможно, в каких-то деталях теория суперсимметрии и не точна, но в целом идея очень привлекательна. Едва ли природа упустила такую замечательную возможность!
Итак, казалось бы, физики достигли самого «дна» мироздания: все окружающее нас вещество, все многообразие происходящих в нем взаимодействий удается построить, исходя из свойств одной-единственной «первочастицы» и соответствующей античастицы. Куда уж проще! Однако природа любит сюрпризы. Внутри современной теории спрятана «мина» замедленного действия, готовая вдребезги разнести фундамент «кваркового подвала» и открыть лаз в еще более глубокие подземелья.
Уж очень сложной по своим свойствам оказывается «первочастица» — многокомпонентная, с большим числом описывающих ее параметров. Не простейшая крупинка, а целая система! Закрадывается подозрение, что внутри нее есть что-то более простое, какие-то совсем мелкие «зернышки».
Как говорится, час от часу не легче! Значит, опять новые частицы и новые виды взаимодействий? И !!се пошло по новому кругу. По-видимому, да. История науки учит, что всякий раз, когда элементарный объект становится слишком сложным, в нем обязательно находятся более простые составляющие. Так было с атомом, с его ядром, с элементарными частицами. Каждый раз физика вступала на новую ступень структурной лестницы, и картина упрощалась.
Впрочем, что это, упрощение или усложнение? Правильным будет сказать: то и другое одновременно. В микромире простое и сложное — это две стороны единого целого, их нельзя противопоставлять друг другу. Непривычно, но так уж устроен мир!

Где же конец?
Сегодня можно говорить лишь об идее «заквантового подземелья». Ни повадки, ни число населяющих его «зверей» не известны. Физики с помощью гипотез и уравнений совершают далекие теоретические рейды в его загадочные глубины, стараясь составить хотя бы отдаленное представление о том, что там происходит. Пока это — волнующая область догадок, и предположений. А что находится за ней? Следующие подземные этажи-уровни? Есть ли забор у «зоопарка» частиц или же заполняющие его «клетки» простираются до бесконечности?
Мир неисчерпаем в разнообразии заполняющих его материальных форм, но эту неисчерпаемость нельзя представлять себе как чисто механическую делимость вещества, когда внутри каждого его зерна есть еще более мелкие. Природа может быть устроена значительно хитрее. Как? Вот это и предстоит выяснить физической науке.