Читаем без скачивания О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний - Маркус дю Сотой

Уравнения Дирака были в некотором смысле аналогичны уравнению x2 = 4. У этого уравнения есть не только решение x = 2, но и зеркальное ему решение x = –2, так как (–2)2 тоже равно 4. Из зеркального решения уравнений Дирака следовало, что существует зеркальный вариант электрона, имеющий положительный заряд. Большинство считало это решение математическим курьезом, порожденным уравнениями, но, когда четыре года спустя Андерсон заметил в своей камере следы частицы, которая вела себя как электрон, отраженный в зеркале[41], антивещество перешло из теории в область реальности. Открытые Андерсоном позитроны, как их стали называть, возникли в результате взаимодействия частиц в верхних слоях атмосферы. И они не были единственными вновь появившимися частицами.

Вскоре после этого в камере оставили следы еще более странные частицы, вообще никем не предсказанные. В 1936 г. Андерсон начал анализировать эти новые следы вместе со своим аспирантом Сетом Неддермейером. Новые частицы, обнаруженные в камере Вильсона, были отрицательно заряженными. Но они не были электронами. Следы, оставленные этими новыми частицами, соответствовали значительно большей массе. Массу частицы можно определить по степени отклонения ее траектории в магнитном поле, в точности как это делал Томсон. Эта частица имела заряд, равный заряду электрона, но изогнуть ее траекторию было гораздо труднее.

Частица, называемая теперь мюоном, была одной из первых новых частиц, полученных из взаимодействия космических лучей с атмосферой. Мюон нестабилен. Он быстро распадается на другие частицы, чаще всего на электрон и два нейтрино. Нейтрино было еще одной новой частицей, существование которой было предсказано для объяснения распада нейтронов в протоны. Поскольку нейтрино почти не имеют массы и не имеют электрического заряда, они были экспериментально обнаружены лишь в 1950-х гг., но с теоретической точки зрения они были необходимы для объяснения распада как нейтронов, так и вновь найденных мюонов. Среднее время жизни мюона составляет 2,2 микросекунды, чего хватает, чтобы достаточное количество таких частиц достигло поверхности Земли не распавшись.

Мюоны помогли подтвердить предсказание о замедлении времени при приближении к скорости света, сделанное Эйнштейном в специальной теории относительности. С учетом периода их полураспада число мюонов, достигающих поверхности Земли, должно быть гораздо меньше наблюдаемого. Это противоречие объясняется замедлением времени на околосветовых скоростях. Если бы к мюону можно было прикрепить часы, они показали бы, что до его соударения с Землей прошло меньшее время. Таким образом, большее число мюонов просуществовало бы до этого момента, что и подтверждается экспериментом. Мы еще вернемся к этому вопросу на пятом «рубеже», когда будем рассматривать время и связанные с ним пределы познания.

Мюон казался поразительно похожим на электрон, но более массивным и менее стабильным. Услышав об этом открытии, американский физик Исидор Раби язвительно заметил: «Такого никто не заказывал». Существование в природе более тяжелой и неустойчивой копии электрона казалось странным и ненужным. Раби и не подозревал, как много других частиц еще оставалось в этом меню.

Осознав, что взаимодействие космических лучей с верхними слоями атмосферы порождает новые формы материи, физики решили не ждать, пока частицы долетят до камер, установленных в лабораториях, так как к этому моменту они могут распасться на уже известные виды материи. Поэтому камеры Вильсона стали устанавливать на большей высоте, надеясь поймать в них другие частицы.

Исследователи из Калтеха выбрали вершину горы Вилсон, расположенной вблизи города Пасадены, в котором они работали. И действительно, они обнаружили новые следы, указывающие на существование новых частиц. Другие группы, пытаясь зарегистрировать другие взаимодействия, устанавливали фотопластинки в обсерваториях в Пиренеях и в Андах. Ученые, работающие в Бристоле и Манчестере, тоже обнаружили на своих фотопластинках следы новых частиц. Как оказалось, Раби следовало беспокоиться не о мюонах. На свет явился целый зверинец частиц.

Масса некоторых из них была равна одной восьмой массы протона или нейтрона. Такие частицы, названные пионами, встречались двух видов – с положительным и отрицательным зарядом. Электрически нейтральная разновидность, зарегистрировать которую было труднее, была открыта позже. В Манчестере были получены два снимка из камеры Вильсона, на которых некая нейтральная частица, по-видимому, распадалась на пионы. Масса этой новой частицы была приблизительно равна половине массы протона. В камере, установленной на вершине горы Вилсон, были получены другие свидетельства, подтверждающие открытие таких частиц, названных каонами, которых было найдено четыре вида.

Со временем открывали все новые и новые частицы, так что общая картина стала совершенно неподъемной. В 1955 г. нобелевский лауреат Уиллис Лэмб съязвил в своей благодарственной речи: «Если раньше за открытие новой частицы давали Нобелевскую премию, то теперь за это следовало бы штрафовать на десять тысяч долларов». Когда ученые выяснили, как химические элементы образуются из электронов, протонов и нейтронов, они надеялись упростить периодическую систему. Однако оказалось, что эти три частицы были лишь вершиной айсберга. Теперь обнаружилось более сотни разных частиц, которые, по-видимому, образовывали те кирпичики, из которых состоит материя. Энрико Ферми сказал тогда одному студенту: «Молодой человек, если бы я знал названия всех этих частиц, я был бы ботаником».

Начались поиски объединяющего принципа, который объяснил бы существование мюонов, пионов, каонов и других частиц, – так же как Менделееву удалось найти порядок классификации элементов и логику их расположения в периодической системе.

Основополагающая структура, которая наконец позволила понять логику этого зверинца частиц – так сказать, нарисовать план, позволяющий не заблудиться в зоопарке, – оказалась в итоге математическим объектом.

План зоопарка частиц

Когда пытаешься что-то классифицировать, полезно выделить некую основную характеристику, позволяющую разделить множество неупорядоченных объектов на меньшие группы. Так, идея биологического вида помогла установить некий порядок в животном царстве. В случае физики элементарных частиц одной из важных неизменяемых характеристик, которые позволили разбить весь этот зоопарк на меньшие группы, был электрический заряд. Как та или иная частица взаимодействует с электромагнитным полем? Электроны отклоняются в нем в одну сторону, протоны – в другую, а нейтроны вообще его не замечают.

По мере обнаружения новых частиц их можно было сортировать при помощи электромагнитного поля. Некоторые из них отправлялись в клетку к электрону, другие – к протону, а остальные следовало поместить вместе с нейтроном. Так был сделан первый шаг к упорядочению зверинца частиц.

Но электромагнитное взаимодействие – это лишь одна из четырех известных нам сил, связывающих Вселенную воедино. Три остальные силы – это гравитация, сильное ядерное взаимодействие, которое связывает протоны и нейтроны, удерживая их вместе внутри атомного ядра, и, наконец, слабое ядерное взаимодействие, управляющее такими процессами, как радиоактивный распад.

Задача состояла в выделении других характеристик, которые подобно электрическому заряду могли бы выявить разное поведение этих частиц с точки зрения других фундаментальных взаимодействий. Например, хорошим критерием для установления некоторой иерархии в зоопарке частиц была их масса. По этому признаку можно сгруппировать вместе пионы и каоны, масса которых на порядок меньше, чем у протонов и нейтронов, из которых состоит обычная материя. В другую группу входили вновь открытые сигма-, кси– и лямбда-гипероны, более тяжелые, чем протоны и нейтроны, и часто распадающиеся на протоны и нейтроны.

Частицам с близкой массой часто присваивали одинаковые греческие названия. Собственно говоря, массы протона и нейтрона настолько близки, что их тоже считали родственными частицами, и немецкий физик Вернер Гейзенберг (идеи которого легли в основу нашего следующего «рубежа») придумал для них новое общее название – нуклоны. Но масса все же была грубоватым критерием для классификации частиц. Физики искали чего-то более фундаментального, какой-нибудь закономерности, которая была бы так же эффективна, как и открытый Менделеевым принцип расположения атомов.

Ключевым элементом, позволившим разобраться в этой лавине новых частиц, стало новое свойство, называемое странностью. Название это возникло в связи со странным поведением некоторых из таких частиц при их распаде. Поскольку, в соответствии с уравнением Эйнштейна E = mc2, масса эквивалентна энергии, а природа предпочитает низкоэнергетические состояния, частицы с большей массой часто стремятся распасться на менее массивные частицы.