Но кварковая модель отлично подходит для объяснения закономерностей мира частиц, хотя она уже давно не используется в своей простой форме. Согласно первоначальной формулировке Гелл-Мана, все адроны могут состоять из кварков трех типов и их антикварков, но физикам пришлось признать возможность существования дополнительных кварков, чтобы объяснить всё многообразие адронных паттернов. Три кварка Гелл-Мана получили произвольные обозначения: u (от англ. up — «верх»), d (от англ. down — «низ») и s (от англ. strange — «странный»). Первым дополнением к первоначальной концепции, возникшим в результате применения кварковой гипотезы ко всему массиву данных о мире частиц, было положение, согласно которому каждый кварк должен обладать тремя потенциальными состояниями, или «цветами». Слово «цвет» используется здесь условно и не имеет ничего общего с обычным понятием цвета. Согласно модели разноцветных кварков, барионы состоят из трех кварков разных цветов, а мезоны — из пары кварк-антикварк одного и того же цвета.
Введение понятия цвета увеличило количество кварков до девяти, а потом было заявлено о существовании еще одного, уже четвертого, кварка[229], который тоже может появляться в любом из трех цветов. Из-за любви физиков к лирическим названиям этот кварк был обозначен буквой «с» (от англ. charm — «очарование»). В результате кварков стало 12 — четыре разновидности, каждая в трех цветах. Чтобы разграничить понятия разновидности кварков и их цвета, физики ввели понятие «аромата» и говорят теперь о кварках разных цветов и ароматов.
Многообразие закономерностей, объясняемых при помощи этой «двенадцатикварковой» модели, воистину впечатляет[230]. Несомненно, адроны демонстрируют «кварковую симметрию», и, хотя наши представления о частицах и их взаимодействиях плохо соотносятся с возможностью существования физических кварков, адроны часто ведут себя именно так, как если бы они состояли из точечных элементарных составляющих. Парадоксальная ситуация вокруг кварковой модели очень похожа на ситуацию, сложившуюся накануне возникновения атомной физики, когда настолько же очевидная противоречивость физической действительности подвела ученых к радикальному перевороту в понимании атомов. Загадка кварков обладает всеми признаками нового коана, решение которого может повлечь существенное изменение наших воззрений на природу субатомных частиц. По сути, оно уже происходит. Его описанию будут посвящены следующие главы. Некоторые физики приблизились к решению кваркового коана, что позволяет им выдвинуть новые интересные идеи о природе мироздания.
Обнаружение симметричных паттернов в мире частиц привело физиков к выводу о том, что эти паттерны отражают фундаментальные законы природы. В 1960-е и 1970-е многие исследователи занимались поиском высшей «фундаментальной симметрии», которая объединила бы наши знания обо всех частицах и могла бы пролить свет на строение материи. Эта цель стояла перед философией, унаследованной от древних греков, и преследовалась на протяжении многих веков. Греческая наука, философия и искусство придавали огромное значение симметрии вместе с геометрией, ассоциируя ее с красотой, гармонией и совершенством. Так, пифагорейцы считали, что суть всех вещей определяется симметричностью изображений; Платон был уверен в том, что атомы четырех элементов — твердые тела; а большинство греческих астрономов верили, что все небесные тела движутся по окружностям, поскольку круг — самая симметричная геометрическая фигура.
Восточные философы рассматривали симметрию совершенно иначе. Последователи мистических традиций часто используют симметричные изображения при медитации или в качестве символов, но понятие симметрии не играет важной роли в их философии. Оно, как и все понятия, считается продуктом мыслительной деятельности человека, а не свойством природы. Поэтому восточные мудрецы не придают симметричности фундаментального значения. А в восточном искусстве часто используются асимметричные построения; правильные геометрические формы непопулярны. Во вдохновленной учением дзен живописи Китая и Японии мы нередко встречаем изображения в «стиле одного угла». Расположение камней в японских садах не подчиняется правилам симметрии, что еще раз иллюстрирует истинную роль симметрии в дальневосточной культуре.
Видимо, стремление к поиску фундаментальной симметрии в физике частиц — часть нашего «эллинического наследия», которое плохо соотносится с общим мировосприятием, формирующимся на основе достижений современной науки. Подчеркнутое внимание к симметриям — не единственный аспект, характерный для физики частиц. Наряду со статическим направлением в ней всегда существовала и «динамическая» школа, которая стремится рассматривать частицы не как конечные свойства природы, а как своего рода проявление динамической природы субатомной действительности и принципиальной взаимосвязанности всех происходящих в ней явлений. В последних двух главах рассказано, как в 1970-е в рамках этого динамического направления возник новый подход к рассмотрению симметрий и законов природы, который вполне гармонирует как со взглядами современной физики, так и с восточными мистическими учениями.
Глава 17. Модели перемен
Одна из главных задач современной физики — объяснение симметрий мира частиц при помощи динамической модели, т. е. взаимодействий между частицами. Сложность здесь в том, как одновременно использовать и теорию относительности, и квантовую теорию. Паттерны частиц, вероятно, отражают их «квантовую природу», поскольку подобные паттерны встречаются и в мире атомов. В физике частиц их невозможно объяснить как волновые явления в рамках квантовой теории: энергия этих процессов столь велика, что необходимо применять теорию относительности. Поэтому объяснения наблюдаемых симметрий можно ожидать только от «квантово-релятивистской» теории частиц.
Первой моделью такого типа стала квантовая теория поля. Она дала прекрасное описание электромагнитных взаимодействий между электронами и фотонами, но оказалась неэффективной при рассмотрении сильных взаимодействий[231]. По мере открытия новых частиц физики всё больше убеждались в том, что концепция, согласно которой каждому типу частиц соответствует особая разновидность поля, непродуктивна. Когда ученым стало ясно, что мир частиц — сложное переплетение взаимосвязанных процессов, они начали искать новые модели для объяснения динамического и постоянно меняющегося мира. Ученым нужно было описать математическим языком разнообразие адронных паттернов: их постоянные превращения друг в друга, взаимодействия между адронами с помощью других частиц, возникновение «связанных состояний» двух или большего количества адронов и их распад на различные комбинации частиц. Все эти процессы, характерные для сильных взаимодействий и получившие общее наименование «реакций частиц», должны рассматриваться в контексте единой квантово-релятивистской модели адрона.
