Дао физики

В результате открытия большого количества новых частиц в ходе экспериментов по рассеиванию с применением всё более высоких энергий кварковая модель была существенно расширена и уточнена. Каждый из первоначально постулированных кварков, получивших обозначения соответственно u (вверх), d (вниз) и s (странность), должен был существовать в трех разных цветах. Затем ученые постулировали существование и четвертого кварка, получившего аромат charm (прелесть). Впоследствии к модели добавились t и b, обозначающие top и bottom, соответственно «вершина» и «дно» (или более романтически — true и beautiful, т. е. «истинность» и «красота»). Общее число кварков стало равным 18 — шести ароматам, помноженным на три цвета. Неудивительно, что многим физикам такое многообразие фундаментальных «кирпичиков» мироздания не понравилось. Они начали говорить о необходимости подумать о «подлинно элементарных» частицах, из которых и должны состоять кварки…

Несмотря на все это теоретизирование и моделестроительство, экспериментаторы продолжали заниматься поисками свободных кварков, но не обнаружили их. И в этом основная проблема кварковой модели. В теории КХД это получило название «кваркового конфайнмента» (ограничения). Ученые предположили, что по каким-то неизвестным причинам кварки постоянно пребывают в «ограниченном» состоянии внутри адронов и не могут предстать перед нашими глазами. Было разработано несколько моделей, объясняющих явление конфайнмента, но это не привело к появлению более или менее последовательной теории.

Таково нынешнее состояние кварковой модели. Для объяснения всех явлений в мире адронов необходимы по крайней мере 18 кварков и 8 глюонов. Ни один из них не был обнаружен в несвязанном состоянии. Их существование в качестве физических составляющих адронов привело бы к возникновению серьезных теоретических сложностей. Для описания постоянного конфайнмента кварков выдвигалось несколько моделей, но ни одна из них не стала подходящей динамической теорией, в то время как и сама КХД, представляющая собой теоретический каркас кварковой модели, может использоваться только по отношению к очень узкому кругу явлений. Невзирая на все эти проблемы, большинство физиков до сих пор привержено идее «строительных кирпичиков» материи, которая так глубоко укоренилась в западной научной традиции.

Пожалуй, самые впечатляющие события в физике частиц произошли в теории S-матрицы и гипотезы бутстрапа (см. главу 17 и главу 18), которые не признают фундаментальных сущностей, а стремятся истолковывать природу мироздания исключительно через ее самосогласованность. Я считаю гипотезу бутстрапа кульминацией современной научной мысли, и именно в этом своем проявлении современная физика ближе всего к восточной философии — как в смысле понимания общей картины мира, так и во взглядах на строение материи. Но философия бутстрапа — очень сложное явление в физике, и ее поддерживают немногие ученые. Большинство физиков видят в бутстрапе нечто чуждое их традиционному мышлению. Та же ситуация и с теорией S-матрицы. Не только любопытным, но и очень значимым представляется то обстоятельство, что, хотя основные понятия теории S-матрицы используются в физике частиц всеми учеными при анализе результатов экспериментов по рассеиванию и сравнении результатов с предсказаниями их теорий, до сих пор ни одному из выдающихся физиков, которые внесли свой вклад в развитие теории S-матрицы, с 1960-х до начала 1980-х не была присуждена Нобелевская премия.

Основная задача теорий S-матрицы и бутстрапа заключалась в том, чтобы объяснить кварковую структуру субатомных частиц. Теперешнее понимание субатомного мира исключает возможность существования кварков в виде физических частиц, но адроны явно обладают кварковыми симметриями, которые должна объяснить теория сильных взаимодействий. Теории бутстрапа не удалось объяснить эти поразительные закономерности, но в рамках теории S-матрицы был сделан серьезный прорыв, и возникла теория бутстрапа частиц, которая способна объяснить кварковую структуру, не постулируя при этом существования физических кварков. Новая теория бутстрапа дает ответ на несколько вопросов, которые были ранее непонятны ученым[294].