Загадки микромира

«С тех давних времен обстановка совершенно изменилась, — говорил П. Дирак, — теперь непрерывно в огромном количестве предполагаются и предлагаются новые частицы. Люди с великой готовностью публикуют доказательства существования новой частицы — независимо от того, добыта ли она путем эксперимента или же благодаря какой-нибудь плохо обоснованной теоретической идее».

Но почему возможно подобное положение вещей? Да потому, что современная теория не может подсказать, когда нужно подводить черту под списком элементарных частиц. Несколько сотен разновидностей! Это плохо звучит; и физики давно допытываются, какие же из них действительно элементарные, а какие — только представляются ими.

И нет никакой помощи от теории. Да и как этой помощи быть, если сама теория не знает самого значения слова «элементарный» для микромира!

Физики ощущают, что когда-нибудь все недоразумения микромира приведут к фундаментальной революции в теории, к серьезному пересмотру представлений и понятий. Будет создана новая теория, которая, исходя из нескольких общих принципов, объяснит все многообразие частиц с подробным описанием этикета взаимодействия между ними. Заглянув в эту теорию, мы сможем тогда предсказать, что произойдет при столкновении любых элементарных частиц.

Вот та программа-максимум, которая стоит сегодня перед теоретической физикой.

Простак или гений?

Можно долго говорить о том, какой представляется ученым новая теория элементарных частиц. Некоторые предполагают, что ее уравнения в сжатом виде будут содержать всю физическую картину природы и включать все известные свойства материи.

Выдающийся советский ученый и историк науки С. Вавилов еще в 1944 году писал, что «физика есть наука о простейших формах материи. Ей, по существу дела, свойственна некоторая тенденция к упрощенному подходу к явлениям». С. Вавилов предостерегал физиков от слишком пылких мечтаний о том, что «учение об элементарных частицах вещества должно объяснить не только элементарные формы явлений, но в конце концов и вселенную в целом».

Какой в действительности окажется новая теория — покажет будущее, а нам пора вернуться к сегодняшним заботам теоретиков.

Почему вдруг «подкосились» ноги у квантовой механики и она не взяла добавочный вес — физику элементарных частиц? Надо сказать, что упрек этот относится не совсем к квантовой механике. С самого начала она предназначалась для описания атомных явлений и прекрасно справляется с этим и по сей день. Упрек этот относится к выросшей из квантовой механики теории элементарных частиц.

Основы квантовой теории поля создавались крупнейшими учеными мира, такими, как В. Гейзенберг, В. Паули, П. Дирак, В. Фок. П. Дирак на основе квантовой механики и теории относительности впервые получил уравнение для электрона, движущегося почти со скоростью света. Это то самое уравнение, из которого физики узнали о существовании позитрона.

Для описания удивительных свойств элементарных частиц, их взаимопревращаемости, возникновения в ядерных реакциях, их исчезновения теоретики создали специальный математический аппарат — метод вторичного квантования. Но метод — это еще не теория. Теория должна описывать взаимодействия между частицами.

Постепенно возникла квантовая электродинамика — та часть квантовой теории поля, которая имела дело только с электромагнитными взаимодействиями элементарных частиц. Ее часто называют прообразом теории элементарных частиц. Квантовая электродинамика превосходно справляется со своей задачей и сегодня, когда исследуются электромагнитные взаимодействия между частицами огромных энергий.

Но столь же хорошей теории для сильных взаимодействий создать пока не удалось. Сначала казалось, что построить ее можно аналогично квантовой электродинамике. Только там частицы обмениваются фотонами, а здесь пи-мезонами — вот и вся разница.

Внешне все так и выглядит. Однако сильные взаимодействия между частицами на малых расстояниях в тысячи раз интенсивнее электромагнитных, и заканчиваются они нередко рождением вороха новых частиц. А в теории появляются бесконечные цепочки уравнений. С математической точки зрения теория становится кошмарно трудной, и, если допустить, что она верна, никто не знает, как найти точные решения получаемых уравнений.

На вопрос, что же мешает созданию новой теории элементарных частиц, Д. Блохинцев ответил: «Нам трудно сейчас решить, в чем дело: не хватает глубины понимания явлений, идеи, которая могла бы пролить свет на весь огромный комплекс фактов, или не хватает самих фактов? Если бы были обнаружены какие-то глубокие противоречия с теорией относительности или с квантовой механикой, это событие дало бы толчок колоссальной силы для новых идей».

Нельзя отбрасывать и другой возможности. Пока что «горы» экспериментальных материалов действительно не дают никаких серьезных указаний на то, в каких направлениях вести поиски будущей теории. Более того, они сами еще ждут теоретической интерпретации.