4. Теория кварков

Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц. В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы – адроны – построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков, соединяющихся между собой в различных комбинациях. Так, каждый барион состоит из трех кварков. На рисунке для примера показано строение протона и нейтрона. Антибарион строится из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк–антикварк.

С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались довольно неожиданными. Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными и элементарного заряда.

Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин ненаблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях. Тем не менее, большинство специалистов сейчас уверены в том, что кварки существуют внутри тяжелых частиц – адронов.

                                            

Почти вся масса любого атома сосредоточена в ядре, которое меньше атома в сто тысяч раз. Ядро сложено из протонов и нейтронов, которые состоят из кварков. (Рис. с сайта www.star.bnl.gov)

Ядерное взаимодействие очень сильное, во много раз сильнее электромагнитного взаимодействия, ответственного за химические связи — достаточно сравнить энергию обычного, химического взрыва и ядерного взрыва. Однако у ядерных сил, связывающих протоны и нейтроны, и электромагнитных сил, связывающих отдельные атомы в молекулы, есть общая черта – они ослабевают при удалении частиц друг от друга. Именно поэтому можно получить свободный атом – то есть атом, отделенный от всех остальных атомов (манипулировать отдельными атомами с помощью скрещенных лазерных лучей физики научились уже давно). Можно также получить отдельный, свободный протон или нейтрон – они, например, вылетают из некоторых радиоактивных ядер.

Для того, чтобы изучить сильные взаимодействия, физики разгоняют элементарные частицы, например протоны, и сталкивают их друг с другом. Если энергия частиц невелика, то они просто упруго отскакивают друг от друга без какого-либо изменения. Если же энергия достаточно велика, то в столкновении протонов рождаются новые нестабильные частицы. Реакции первого типа относятся, скорее, к ядерной физике, а настоящая физика элементарных частиц занимается изучением реакций второго типа. Это, кстати, дало второе название физике элементарных частиц – физика высоких энергий.

Многочисленные эксперименты по столкновению частиц при высокой энергии навели физиков на мысль, что и протоны и нейтроны не элементарны, а состоят из других, более фундаментальных частиц – кварков. Семейство адронов – то есть частиц, состоящих из кварков, – очень велико: протоны, нейтроны, пи-мезоны, К-мезоны и т. д. (Отдельный кварк адроном не является.) Все они, за исключением протона, – нестабильны, распадаются на другие частицы. Например, нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино; K-мезон распадается на два пи-мезона, которые далее распадаются на мюон и нейтрино и т.п.

Однако ни разу ни в каком распаде никакого адрона не наблюдались свободные кварки. То есть адроны состоят из кварков, но распадаются не на них, а на группки кварков, а если кварков в исходном адроне для этого не хватает, то квантовые флуктуации породят столько кварк-антикварковых пар, сколько нужно.

            

Глюонные силы, связывающие кварки в протоне, не ослабевают при удалении одного кварка от другого. В результате при попытке «вырвать» кварк из протона глюонное поле порождает дополнительную кварк-антикварковую пару, и от протона уже отделяется не кварк, а пи-мезон. Пи-мезон уже может улететь сколь угодно далеко от протона, потому что силы между адронами ослабевают с расстоянием. (Рис. с сайта www.nature.com)

Такая неожиданная особенность поведения кварков связана со свойствами сильного взаимодействия — глюонного поля, которое связывает кварки внутри адронов. В отличие от гравитационных или электрических сил, и даже в отличие от ядерных сил между протонами и нейтронами, сила взаимодействия, связывающего кварки, не уменьшается с удалением их друг от друга. В результате какую бы энергию мы ни передали отдельному кварку, он не сможет удалиться от своего соседа на какое-то экспериментально измеряемое расстояние. Более того, кварки, разлетевшиеся уже на несколько фемтометров (1 фм примерно равен размеру протона), обладают такой большой потенциальной энергией глюонного поля, что она тут же тратится на рождение других кварк-антикварковых пар. Иными словами, передав любому адрону достаточно большую энергию, мы дестабилизируем его, заставляем его тут же распадаться на другие адроны.

В этом смысле по-настоящему свободный кварк – то есть кварк, сильно отдаленный от всех иных кварков, – создать невозможно. Кварки существуют только в связанном состоянии, и явление, отвечающее за это вечное пленение кварков, называется конфайнмент. Это неизбежный вывод в рамках квантовой хромодинамики – единственной известной на сегодня теории, которая может описать все свойства адронов и их столкновений. (Несмотря на многочисленные попытки, никакой альтернативной теории, способной описать всю совокупность данных, так и не построено.)

Конечно, это все очень непохоже на те силы, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни (что неудивительно – ведь все они, в конечном счете, сводятся к электромагнитным взаимодействиям и гравитации). Поэтому людям, которые считают, что все физические явления должны объясняться в простых, интуитивных, общепонятных терминах, здесь видится какой-то обман. Некоторые из них прямо говорят, что кварки вместе с их пленением – это все выдумки теоретиков, которые попросту запутались в описании микромира. Либо частицы существуют – и тогда их можно выделить, либо они не существуют.

Возвращаясь к утверждению о том, что кварки не существуют в свободном виде, замечу, точности ради, что и это еще не вся правда. Как раз топ-кварки отличаются от всех других кварков тем, что они – в некотором смысле! – всегда свободны. Дело в том, что конфайнмент начинает сказываться на движении кварка, лишь когда он отлетит от точки рождения на расстояния порядка 1 фм (10^–15 м). Однако топ-кварк обладает столь малым временем жизни, что такую «большую» дистанцию он просто не успевает пролететь. В результате рождение и распад топ-кварка можно описывать без учета эффектов конфайнмента – то есть не обращая внимания на то, что кварки связаны в адроны. Когда открыли первую пару кварков, то названия up «верхний» и down «нижний» напрашивались сами собой; названия для второй пары кварков – «странный» и «очарованный» – возникли по иным мотивам, а когда речь зашла про кварки третьей пары, то физики для своего удобства придумали синонимы английским словам up и down («верхний» и «нижний») – top и bottom; а в русском языке таких синонимов не нашлось (и up, и top на русский переводятся одним словом – «верхний»). Впрочем, у третьей пары есть и альтернативные названия – true и beauty, «истинный» и «прелестный» кварки.

Эксперимент в физике элементарных частиц – это путь получения достоверного знания и микромире. Эта фраза создает у читателя совершенно неверное представление о том, как вообще протекают эксперименты в физике элементарных частиц. Никакого отдельного эксперимента, поставленного исключительно для поиска одиночного топ-кварка, не было. Ускоритель и детекторы такой стоимости, такого уровня сложности и таких трудозатрат строятся для того, чтобы одновременно изучать огромное количество самых разнообразных процессов.

Изучение какого-то конкретного процесса на современном ускорителе выглядит примерно так. Ускоритель работает на протяжении одного-двух десятков лет – не непрерывно, конечно, а по нескольку месяцев в году (остальное время тратится на обслуживание, модернизацию, устранение неполадок или просто пережидание холодного времени года, чтоб не тратить дорогую электроэнергию). У физиков-ускорительщиков есть даже условная единица измерения – «стандартный ускорительный год», равный 10 миллионам секунд (физики любят подчеркивать, что это примерно в π раз меньше, чем длительность календарного года).

В течение всего этого времени регулярно, с частотой в миллионы раз в секунду, сталкиваются сгустки частиц. Кстати, сгусток (bunch) и пучок (beam) частиц – это не одно и то же. Частицы в кольцевом ускорителе летают, удерживаемые магнитным полем, вдоль одной и той же орбиты. Весь этот поток частиц образует пучок (а точнее, два встречных пучка, которые движутся по двум разным пересекающимся орбитам). Однако этот пучок не сплошной, а разбит на компактные кучки – сгустки, – следующие друг за другом на одинаковом расстоянии. В результате в точке пересечения двух встречных пучков частицы сталкиваются не непрерывно, а через строго определенные промежутки времени; а вокруг этой точки стоят многослойные детекторы элементарных частиц, который пытаются уловить все, что рождается в столкновениях.

В каждом сгустке обычно собраны многие миллиарды частиц. Кстати, сгустки – это вовсе не «шарики» или «облачка» частиц, а длинные и тонкие «иглы» толщиной несколько десятков микрон и длиной порядка метра. (И вот этими летающими на встречных курсах «иглами» надо управлять так, чтобы в месте встречи они точь-в-точь пронзали друг друга!) Однако плотность частиц в сгустках не так велика, как может вначале показаться: плотность атомов в обычном веществе гораздо больше. В результате, когда два сгустка сталкиваются, то из всех миллиардов миллиардов «попыток» реально сталкивается лишь очень небольшое число частиц – одна-две, иногда несколько. Каждое такое столкновение у физиков называется громким словом «событие».

В подавляющем большинстве столкновений сгустков происходят какие-нибудь «неинтересные» события: например, небольшое отклонение одного из протона под действием электрических сил встречных частиц. Неинтересные они потому, что физики и так давным-давно знают все, что происходит в этом процессе. Реже, но все-таки довольно часто, много раз в секунду, происходят и более интересные события – например, рождение и распад тяжелой нестабильной частицы, или рождение более стабильных частиц, которые уже долетают до детекторов и оставляют там свои следы (чуть позже я расскажу вкратце, как именно детектируются частицы, какой именно след они оставляют в детекторе). Вот это уже считается интересным событием, и такие события «в сыром виде» записываются для дальнейшей обработки. И уж совсем редко (раз в минуту, в час, в день – в зависимости от типа события) происходят очень интересные события – например рождение очень редких частиц или проявление очень слабых сил взаимодействия между частицами. Именно за такими очень интересными, но редкими событиям и охотятся физики.

5. Виртуальные частицы: квантовый вакуум

Виртуальные частицы – возникающие в вакууме и при столкновениях или распадах элементарных частиц короткоживущие ненаблюдаемые частицы. При столкновениях (распадах) элементарных частиц виртуальные частицы играют роль переносчиков взаимодействий. Взаимодействия и взаимные превращения частиц в квантовой теории описываются как рождение или поглощение свободной частицей виртуальных частиц. Так, например, электрон рождает и поглощает виртуальные фотоны.

Два простейших процесса с участием виртуальных частиц показаны на рисунке. Виртуальными частицами слева являются электрон, позитрон и фотон. Они одновременно рождаются в вакууме в левом узле и затем исчезают в правом. Рисунок справа иллюстрирует взаимодействие двух реальных электронов посредством обмена виртуальным фотоном, играющим роль переносчика электромагнитного взаимодействия.    

Появление любой виртуальной частицы нарушает закон сохранения энергии на некую величину Е, однако, такие нарушения допускаются квантовой механикой в течение интервалов времени t, разрешенных соотношением неопределенностей Е t > ( = h/2 , h – постоянная Планка). В течение интервалов времени t < / Е эти нарушения принципиально ненаблюдаемы, как ненаблюдаемы и сами промежуточные частицы, называемые, поэтому, виртуальными. В момент исчезновения (поглощения) виртуальной частицы баланс энергий восстанавливается.

Для виртуальной частицы не выполняется соотношение специальной теории относительности между полной энергией Е, импульсом и массой m: E² = p²c² + m²c⁴. Так, виртуальный фотон может иметь нулевой импульс, т.е. покоиться, что исключено для наблюдаемого фотона. Несмотря на ненаблюдаемость виртуальных частиц, они реально существуют. На их испускании и поглощении основаны практически все физические процессы происходящие при высоких энергиях и на расстояниях <10^-8 см.

Исследуется проблема природы физического вакуума. Рассматриваются требования, при удовлетворении которых физический вакуум может быть отнесен к наиболее фундаментальному виду физической реальности. Делается вывод, что физический объект, претендующий на фундаментальный статус, должен обладать свойством непрерывности. В этом случае он обладает наибольшей общностью и не имеет ограничений, свойственных множеству объектов и явлений, имеющих вторичный статус. Физический вакуум, обладающий свойством непрерывности, расширяет класс известных физических объектов. Вещество и вакуум соотносятся между собой как взаимодополняющие противоположности, они находятся в отношениях дополнительности, соответствующих принципу дополнительности Н.Бора. Новый подход к изучению физического вакуума открывает S-теорема Климонтовича. Закон уменьшения энтропии дает ключ к разрешению фундаментальной коллизии непрерывности и дискретности, которая до сих пор не нашла своего решения.

Стимулом стойкого интереса к физическому вакууму является надежда ученых на то, что он откроет доступ к океану экологически чистой вакуумной энергии. Очевидно, что эти надежды не беспочвенны. В рамках квантовой электродинамики теория указывает на реальность существования в физическом вакууме "океана" энергии. Плотность энергии вакуума W определяется соотношением :

,

где: h – постоянная Планка, a – коэффициент, ν – частота. Отсюда следует, что энергия вакуума может быть очень большой. Однако, вследствие высокой симметрии вакуума, непосредственный доступ к этой энергии весьма затруднителен. В результате, находясь, по существу, среди океана энергии, человечество вынуждено пользоваться только традиционными способами ее получения, основанными на сжигании природных энергоносителей. Тем не менее, при нарушении симметрии вакуума доступ к океану энергии возможен. Поэтому внимание исследователей привлекают новые физические эффекты и феномены в надежде на то, что они позволят заставить физический вакуум "работать". При достижении критического уровня возбуждения физический вакуум порождает элементарные частицы – электроны и позитроны. Поэтому многих исследователей интересует способность вакуума генерировать электроэнергию. Эффект Казимира указывает на возможность извлечения механической энергии из вакуума. Достижению реальных результатов, в плане практического использования энергии физического вакуума, мешает отсутствие понимания его природы. Загадка природы физического вакуума остается одной из серьезных нерешенных проблем фундаментальной физики.

По современным представлениям в основе всех физических явлений лежат квантованные поля. Вакуумное состояние является основным состоянием любого квантованного поля. Отсюда следует, что физический вакуум является самым фундаментальным видом физической реальности. В настоящее время преобладает концепция, в рамках которой считается, что вещество происходит из физического вакуума и его свойства проистекают из свойств физического вакуума. Я.Б.Зельдович исследовал даже более амбициозную проблему – происхождение всей Вселенной из вакуума. Он показал, что твердо установленные законы Природы при этом не нарушаются. Строго выполняются закон сохранения электрического заряда и закон сохранения энергии. Единственный закон, который не выполняется при рождении Вселенной из вакуума – это закон сохранения барионного заряда. Отается непонятным, куда подевалось огромное количество антивещества, которое должно было появиться из физического вакуума. Поэтому решение проблемы физического вакуума представляет интерес, как для фундаментальной науки, так и для прикладных исследований. Несмотря на большой интерес к нему, физический вакуум по-прежнему остается загадочным объектом, которому, тем не менее, наука определяет наиболее фундаментальный статус.

Несмотря на то, что актуально физический вакуум ничего не содержит, он содержит все потенциально. Поэтому, вследствие наибольшей общности, он может выступать в качестве онтологической основы всего многообразия объектов и явлений в мире. В этом смысле, пустота – самая содержательная и наиболее фундаментальная сущность. Такое понимание физического вакуума заставляет признать реальность существования не только в теории, но и в Природе и "ничто" и "нечто". Последнее существует как проявленное бытие – в виде наблюдаемого вещественно-полевого мира, а "ничто" существует как непроявленное бытие - в виде физического вакуума. Поэтому, непроявленное бытие, при распространении этого понятия на физический вакуум, следует рассматривать как самостоятельную физическую сущность, которую необходимо изучать.

В современной физике предпринимаются попытки представить физический вакуум различными моделями. Многие ученые, начиная от П.Дирака, пытались найти модельное представление, адекватное физическому вакууму. Известны: вакуум Дирака, вакуум Уилера, вакуум де Ситера, вакуум квантовой теории поля, вакуум Тэрнера-Вилчека и др. Вакуум Дирака является одной из первых моделей. В ней физический вакуум представлен "морем" заряженных частиц, заполняющих все энергетические уровни. Вакуум Уилера состоит из геометрических ячеек планковских размеров. Согласно Уилеру все свойства реального мира и сам реальный мир есть проявление геометрии пространства. Вакуум де Ситтера представлен совокупностью частиц с целочисленным спином, находящихся в низшем энергетическом состоянии. Вакуум квантовой теории поля содержит в виртуальном состоянии всевозможные частицы. Вакуум Тэрнера-Вилчека представлен двумя проявлениями – "истинным" вакуумом и "ложным" вакуумом. То, что в физике считается самым низким энергетическим состоянием, есть "ложный" вакуум, а остинно нулевое состояние находится ниже по энергетической лестнице. При этом "ложный" вакуум может переходить в состояние "истинного" вакуума.

Существующие модели физического вакуума весьма противоречивы. Причина состоит в том, что в сравнении со всеми другими видами физической реальности физический вакуум имеет ряд парадоксальных свойств, что ставит его в ряд объектов, трудно поддающихся моделированию. Например, в модели де Ситтера физический вакуум обладает свойством, совершенно не присущим любому состоянию вещества. Уравнение состояния такого вакуума, связывающее давление Р и плотность энергии W, имеет необычный вид:

.

Причины появления такого экзотического уравнения состояния связаны с представлением вакуума многокомпонентной средой, в которой для компенсации сопротивления среды движущимся частицам введено понятие отрицательного давления. Обилие различных модельных представлений вакуума может указывать только на то, что до сих пор отсутствуют модели, адекватные реальному физическому вакууму. Реальность такова, что в рамках квантовой физики теория физического вакуума не состоялась. Становится все более очевидным, что "зона жизни" теории физического вакуума должна находиться за пределами квантовой физики и, скорее всего, ей предшествовать. По всей видимости, квантовая теория должна быть следствием и продолжением теории физического вакуума, коль физическому вакууму отводится роль наиболее фундаментальной физической сущности, роль основы мира [12]. Будущая теория физического вакуума должна удовлетворять принципу соответствия. В таком случае теория физического вакуума должна естественным образом переходить в квантовую теорию.

По-прежнему остается без ответа вопрос: "какие константы относятся к физическому вакууму?" После выяснения этой проблемы и получения уравнений, описывающих вакуум непосредственно как физический объект, а не как геометрический объект, можно будет говорить о появлении теории физического вакуума, рассматривающей его как физическую сущность. Есть все основания считать, что создание теории физического вакуума позволит не только расширить знания об устройстве мира, но и прикоснуться к тайне происхождения Вселенной.

Современные физические теории демонстрируют тенденцию перехода от частиц – трехмерных объектов, к объектам нового вида, имеющим меньшую размерность. Например, в теории суперструн размерность объектов-суперструн намного меньше размерности пространства-времени. Считается, что у физических объектов, имеющих меньшую размерность, больше оснований претендовать на фундаментальный статус.

Исходя из того, что фазовый переход вакуум-вещество следует относить к процессам самоорганизации, возникает задача поиска нового инструмента для исследования физического вакуума на основе обобщения H-теоремы Больцмана на процессы самоорганизации. Поскольку физический вакуум имеет наибольшую энтропию среди всех известных физических объектов и систем, то в контексте этой задачи необходимо искать подтверждение закону уменьшения энтропии.

В термодинамике основным законом является закон возрастания энтропии. Этот закон был установлен Больцманом на примере идеального газа. Он носит название Н-теоремы Больцмана. Климонтович Ю.Л. показал, что для процессов самоорганизации действует иной закон – закон уменьшения энтропии. Аналогом Н-теоремы Больцмана для открытых систем является S-теорема Климонтовича. Суть нового закона сводится к следующему: если за начало отсчета степени хаотичности принять "равновесное состояние", отвечающее нулевым значениям управляющих параметров, то по мере удаления от равновесного состояния, вследствие изменения управляющего параметра, значения энтропии, отнесенные к заданному значению средней энергии, уменьшаются. Совсем недавно появилось сообщение об экспериментальном подтверждении закона уменьшения энтропии. Ученые из Австралийского национального университета экспериментально обнаружили, что на малых временах траектории частиц микронных размеров явно указывают на уменьшение энтропии. В эксперименте исследовалось поведение системы коллоидных частиц микронного размера, находящихся в воде, в оптической ловушке, созданной сфокусированным лазерным лучом. Исследователи с высокой точностью отслеживали положение частиц. При выключенном лазере частицы совершали броуновское движение, однако при включении лазера на них начинала действовать сила, направленная в область максимальной интенсивности света. Было установлено, что на коротких интервалах траектории частиц соответствуют уменьшению энтропии, тогда как на больших – секундных интервалах, таких траекторий практически не наблюдается. Это прямое наблюдение нарушения второго закона термодинамики. Этот эксперимент подтверждает установленный Климонтовичем Ю.Л. закон уменьшения энтропии для открытых систем. Теорема Климонтовича практически снимает запрет на возможность возникновения регулярных структур в континууме. В рамках теории физического вакуума, используя S-теорему Климонтовича, появляется возможность обосновать возникновение не только регулярных структур в континууме, но и порождение дискретных частиц из непрерывного вакуума. Одним из следствий S-теоремы Климонтовича является вывод о том, что корни дискретности следует искать в непрерывности. Закон уменьшения энтропии Климонтовича дает ключ к разрешению фундаментальной коллизии непрерывности и дискретности, которая до сих пор не нашла своего решения. Физический вакуум – это материальная среда, представляющая квантовое поле. Современная теория поля придерживается материалистических взглядов на природу физического вакуума, рассматривая его как невозбужденное состояние полевой материи, что позволяет с единой точки зрения представить природу различных полевых процессов. Физический вакуум, представляя полевую форму материи, может оказывать давление на вещественную материю, что наблюдается экспериментально в эффекте Казимира. Таким образом, то, что физический вакуум представляет одну из форм материи – это экспериментальный факт.

Т.е. физический вакуум – это полевой вид материи, находящейся в невозбужденном состоянии. "Вакуумное состояние поля" правильнее называть "скалярным состоянием поля", так как нет зависимости от поворота системы координат, в отличие от электрических, магнитных и гравитационных потоков индукции, которые представляют векторные состояния поля. Квантовая (дискретная) природа электродинамического вакуума как квантового поля проявляется в дискретности электромагнитных волн. Свойства физического вакуума определяют его физические постоянные: квант электрического потока (1.602·10^-19 Кл), квант магнитного потока (2.068·10^-15 Вб) и проницаемости вакуума - электрическая и магнитная, от которых зависит скорость распространения полевых потоков - скорость света.