Возникновение четких паттернов в структуре материи — не новое явление. Оно наблюдалось уже в мире атомов. Как и субатомные частицы, все атомы, принадлежащие к одному виду, имеют идентичное строение. В периодической таблице все разновидности атомов, или химические элементы, объединены в несколько больших групп. В наше время ученые хорошо представляют себе основы такой классификации: она зависит от количества протонов и нейтронов в их ядрах и распределения электронов по сферическим орбитам вокруг ядер, или «оболочкам». Как уже говорилось выше, электроны имеют свойства волн. Поэтому расстояние между их орбитами и момент импульса на них характеризуются несколькими устойчивыми значениями, которые зависят от волновых колебаний электрона. В структуре атома возникают определенные паттерны, которые характеризуются набором «квантовых чисел» и отражают волновые функции электронов, находящихся на орбитах внутри атома. Эти функции определяют «квантовые состояния» атома. Поэтому два атома, находящиеся в «основном состоянии» или в одном и том же «состоянии возбуждения», полностью идентичны друг другу.
Паттерны в мире частиц во многом схожи с паттернами в мире атомов. Так, большинство частиц вращается вокруг своей оси, как юла. Их спины, т. е. собственные моменты импульса, ограничены по величине и представляют собой целое или полуцелое число. Барионы, например, могут иметь спин, равный 1/2, 3/2, 5/2 и т. д., а мезоны — 0, 1, 2 и т. д. Спин субатомной частицы напоминает нам о моментах импульса электронов на орбитах в атоме, которые выражаются целыми числами.
Сходство с атомными паттернами усиливается, когда мы узнаём, что все сильно взаимодействующие частицы, или адроны, могут быть расположены в четкой последовательности друг за другом. Они обладают схожими свойствами, единственное различие между ними состоит в разнице масс и спинов. Частицы с более высокими порядковыми номерами в этой последовательности характеризуются крайней недолговечностью и носят название резонансов. В 1970-е ученым удалось обнаружить много таких частиц. Масса и спин резонансов увеличиваются внутри каждой их последовательности, которые, судя по всему, расширяются до бесконечности. Четкие закономерности построения этой последовательности чем-то напоминают закономерности перехода атома в различные возбужденные состояния. В итоге физики решили рассматривать адроны с более высоким порядковым номером не как самостоятельные частицы, а как возбужденные состояния частицы с наименьшей массой. Таким образом, адрон, как и атом, может какое-то время существовать в разных возбужденных состояниях, которые отличаются от его основного состояния большим моментом импульса (спином) и большей энергией (массой).
Сходство квантовых состояний атомов и адронов наводит на мысль, что адроны — тоже составные объекты, имеющие внутреннюю структуру и способные «возбуждаться», т. е. поглощать энергию для образования разных паттернов. Но мы пока не понимаем, как это происходит. В атомной физике паттерны можно объяснить в категориях свойств и взаимодействий составных элементов атома (протонов, нейтронов и электронов), но этот подход не может быть применен для описания явлений мира частиц. Паттерны, обнаруженные в мире частиц, были определены и классифицированы эмпирическим путем, и их пока нельзя вывести из структуры частицы.
Главная сложность, с которой сталкиваются исследователи, занимающиеся физикой частиц, заключается в том, что классические представления о составных «объектах», содержащих в себе «составные компоненты», бесполезны при описании субатомных частиц. Узнать, из каких элементов состоят частицы, можно только одним путем: сталкивая их с задействованием высоких энергий. Но в результате подобных экспериментов не удается получить более мелкие «кусочки» исходных частиц. Например, два протона после столкновения на высокой скорости могут разлететься на множество осколков, но среди них никогда не будет «фрагментов протона». Они всегда будут представлять собой целые адроны, образующиеся благодаря кинетической энергии и массе сталкивающихся протонов. Поэтому распад частицы на «составляющие» носит далеко не определенный характер и зависит от количества энергии, задействованной в процессе. Мы имеем дело с типично релятивистской ситуацией исчезновения и переформирования энергетических паттернов, к которым не могут быть применены представления о составных объектах и их составляющих. О структуре атомной частицы можно говорить только в релятивистском смысле — в смысле ее способности участвовать в различных процессах и взаимодействиях.
Преобразование частиц во время столкновений подчиняется определенным законам, а поскольку получаемые фрагменты снова становятся частицами, эти законы могут быть использованы для описания мира частиц. В 1960-е, когда было открыто большинство ныне известных частиц, многие физики, что вполне естественно, уделяли основное внимание описанию этих законов, а не попыткам решить, почему возникают частицы. И здесь наука добилась больших успехов.
Важную роль в исследованиях того периода играло понятие симметрии. Придав ему более общий и абстрактный характер, физики приобрели очень ценный инструмент для классификации частиц. В повседневной жизни самый наглядный пример симметрии — отражение в зеркале. Мы говорим о фигуре, что она симметрична, если через ее центр можно провести прямую, которая разделит ее на две части, являющиеся зеркальными отражениями друг друга (рис. 52).
Рис. 52. Пример симметричной фигуры
Более высокий уровень симметрии предусматривает наличие нескольких линий, или осей симметрии, как, например, в одном из символов, использующихся в буддизме (рис. 53).
Рис. 53. Отражение
Но отражение — не единственная операция, позволяющая достичь симметрии. Мы называем симметричной и фигуру, которая не меняется, будучи повернутой вокруг своей оси. Симметрия вращения используется, в частности, в знаменитом китайском символе инь и ян, или Великого предела (рис. 54).
Рис. 54. Символ инь и ян
В физике частиц явления симметрии связаны со многими другими явлениями, кроме отражения и вращения, и могут иметь место не только в обычном пространстве (и времени), но и в абстрактных математических пространствах. Законы симметрии применимы к отдельным частицам и их группам, а поскольку свойства частиц определяются их способностью участвовать во взаимодействиях, эти законы могут применяться и в отношении процессов взаимодействия. Законы симметрии полезны, поскольку тесно связаны с «законами сохранения». Если какой-то субатомный процесс характеризуется симметрией, можно уверенно утверждать, что в нем участвует некая константа. Константы — элементы стабильности в сложном танце субатомной материи. Они помогают нам в описании взаимодействий частиц. Некоторые измеримые величины остаются постоянными, или «сохраняются», во всех взаимодействиях, другие — только в некоторых. В результате каждый процесс преобразования связан с определенным числом констант. Поэтому симметричность свойств частиц в их взаимодействиях проявляется в законах сохранения. Физики взаимозаменяют эти концепции, говоря то о симметрии физической системы, то о соответствующем законе сохранения.
