Дао физики

Поистине элементарная частица — полностью лишенная внутренней структуры — не может быть подвержена действию каких-либо сил, которые могли бы помочь нам обнаружить ее существование. Уже из того факта, что нам известно о существовании частицы, следует сделать вывод о том, что эта частица обладает внутренней структурой![236]

Особое преимущество математического аппарата теории S-матрицы в том, что с его помощью можно описать «обмен» целой адронной семьи. Как говорилось в предыдущей главе, все адроны можно разделить на последовательности, для членов каждой из которых характерна полная идентичность всех свойств, за исключением массы и спина. Математическая модель, впервые предложенная Туллио Редже[237], позволяет рассматривать каждую из этих последовательностей как множество возбужденных состояний одного адрона. В 1970-е ученым удалось объединить модель Редже с теорией S-матрицы, в которой ее стали успешно применять для описания адронных реакций. Введение в научный обиход этой математической модели — один из самых важных моментов в развитии теории S-матрицы, он может расцениваться как первый шаг к объяснению паттернов частиц.

Теория S-матрицы позволяет физикам динамически описывать строения адронов, силы взаимодействия между ними и некоторые паттерны, которые они образуют. При этом каждый адрон понимается как неотделимая часть неразрывной цепи взаимодействий. Основная задача теории S-матрицы — применить это динамическое описание для объяснения симметрий, порождающих адронные паттерны и законы сохранения, которым была посвящена предыдущая глава. В новой теории адронные симметрии должны отразиться в математической модели S-матрицы так, чтобы она содержала только те элементы, которые соответствуют реакциям, возможным с точки зрения законов сохранения. Тогда они утратили бы свой теперешний статус чисто эмпирических закономерностей, став логическим следствием теории S-матрицы, а следовательно, и динамической природы адронов.

Физики пытались решить эту задачу путем постулирования нескольких общих принципов, которые ограничивают математические возможности построения элементов S-матрицы, придавая последней более четкую структуру. Уже сформулировано три таких принципа. Первый из них — следствие теории относительности и наших обычных макроскопических представлений о времени и пространстве. Он гласит: вероятности реакций (а следовательно, и элементы S-матрицы) не должны зависеть от переносов экспериментального оборудования в пространстве и времени, его пространственной ориентации и состояния движения наблюдателя. Как говорилось в предыдущей главе, из факта независимости реакций частиц от изменений ориентации и переносов в пространстве и времени следует вывод о сохранении суммарного момента импульса, импульса и энергии, участвующих в реакции. Эти «симметрии» очень важны для науки. Если бы результаты эксперимента менялись в зависимости от времени и места его проведения, наука в ее современном понимании была бы невозможна. Последнее требование по поводу того, что результаты эксперимента не должны зависеть от состояния движения наблюдателя, представляет собой принцип относительности, лежащий в основе релятивистской теории.

Второй основополагающий принцип вытекает из квантовой теории. Согласно ему, исход реакции можно предсказать только в категориях вероятностей. Кроме того, сумма вероятностей всех возможных исходов — включая случай, когда взаимодействия между частицами не происходят, — должна равняться 1. Мы можем быть уверены в том, что частицы либо взаимодействуют, либо нет. Это, казалось бы, простое утверждение — очень важный принцип, получивший название «принципа унитарности», который значительно ограничивает возможности построения элементов S-матрицы.