Рисунки этого танца характеризуют сущность каждой частицы и ее
свойства. Так, например, запас энергии, необходимый для испускания и
поглощения виртуальной частицы, эквивалентен определенному количеству
массы, которое добавляется к массе самовзаимодействующей частицы. Раз-
личные частицы принимают разное участие в этом танце; каждая из них име-
ет своя параметры энергии и массы. Наконец, виртуальные частицы не
только представляют собой единственное средство осуществления взаимо-
действий между частицами, а, соответственно, и объяснение их свойств, но
могут порождаться вакуумом и черпать свою энергию из него. Таким обра-
зом, в космическом танце принимает участие не только материя, но и Пус-
тота, бесконечно творя и разрушая энергетические паттерны.
Современные физики воспринимают танец Шивы как танец субатомной мате-
рии. Как и в индуистской мифологии, последний представляет собой беско-
нечный танец сотворения и разрушения, в котором принимает участие весь
космос; основу всякого бытия и всех явлений природы. Столетия тому назад
индийские скульпторы создавали величественные бронзовые изваяния танцую-
щего Шивы. В наше время физики разработали сложнейшие приборы для того,
чтобы получить портрет Вселенной в ее космическом Танце. Фотографии пу-
зырьковой камеры, на которых запечатлены взаимодействия частиц, тоже яв-
ляются изображениями рисунка танца Шивы, которые не уступают по красоте
и значению своим индуистским аналогам. Эти фотографии доказывают, что
Вселенная постоянно претерпевает процессы ритмического сотворения и раз-
рушения. Таким образом, метафора космического танца объединяет древнюю
мифологию, религиозное искусство и современную физику. Как говорит Кума-
расвами, эта метафора представляет собой "поэзию, и в то же время - нау-
ку".
Глава 16. СИММЕТРИЯ В МИРЕ КВАРКОВ - "ЕЩЕ ОДИН КОАН?"
В субатомном мире безраздельно властвуют ритм, движение и непрестан-
ное изменение. Все изменения не случайны и не произвольны. Они следуют
очень четким и ясным паттернам. Начнем с того, что все частицы той или
иной разновидности абсолютно идентичны по массе, величине электрического
заряда и другим характерным показателям. Далее, все заряженные частицы
имеют электрический заряд, который либо равен заряду электрона, либо
противоположен ему по знаку, либо превышает его в два раза. То же отно-
сится к остальным характеристикам частиц; они могут принимать не любые
произвольные значения, а только ограниченное их количество, что позволя-
ет нам разделить частицы на несколько групп, которые могут быть также
названы "семьями". Это подводит нас к вопросу: каким образом такие опре-
деленные паттерны возникают в динамическом и изменчивом мире частиц?
Возникновение четких паттернов в структуре материи-вовсе не новое яв-
ление. Оно уже хорошо известно в мире атомов. Как и субатомные частицы,
все атомы, принадлежащие к одной и той же разновидности, характеризуются
идентичным строением. В периодической таблице все разновидности атомов,
или элементы, объединены в несколько больших групп. В наше время ученые
хорошо представляют себе основания для такой классификации: она зависит
от количества протонов и нейтронов в их ядрах и от распределения элект-
ронов по сферическим орбитам вокруг ядер, или "оболочкам". Как уже гово-
рилось ранее, электроны имеют свойства волн (см. гл. 4). Поэтому рассто-
яние между электронными орбитами и количество вращения, которым может
обладать электрон, характеризуется несколькими устойчивыми значениями,
которые зависят от колебаний электронных волн. Соответственно, в струк-
туре атома возникают определенные паттерны, которые характеризуются на-
бором "квантовых чисел" и которые отражают колебательные паттерны элект-
ронных волн на орбитах внутри атома. Эти колебания определяют "квантовые
состояния" атома. Поэтому два атома, находящихся в "основном состоянии"
или же в одном из "возбужденных состояний", имеют одну и ту же внутрен-
нюю структуру.
Паттерны в мире частиц во многом схожи с паттернами в мире атомов.
Так, большинство частиц вращается вокруг своей оси, подобно юле. Их спи-
ны могут принимать только некоторые определенные значения, представляю-
щие собой интеграл, помноженный на какую-то базовую единицу. Барионы,
например, могут иметь спин, равный 1/2, 3/2, 5/2 и т. д., тогда как ме-
зоны могут иметь спин, равный 0, 1, 2, и т.д. Спин субатомной частицы
напоминает нам о количествах вращений электронов на орбитах внутри ато-
ма. Спин электрона тоже может быть только целым числом.
Странная фраза... Спин электрона +1/2 и -1/2 [А.Б.]
Сходство с атомными паттернами усиливается после знакомства с тем
фактом, что все сильно взаимодействующие частицы, иначе именуемые адро-
нами, могут быть расположены в четкой последовательности друг за другом.
Адроны обладают очень схожими свойствами, и единственное различие между
ними вызвано различием их масс и спинов. Частицы с наибольшим порядковы-
ми номерами внутри этой последовательности характеризуются чрезвычайной
недолговечностью и носят наименование резонансов. За последнее десятиле-
тие ученым удалось обнаружить много таких резонансов. Масса и спин резо-
нансов увеличивается четко определенным образом, и их последова-
тельность, судя по всему, заканчивается в бесконечности. Четкие законо-
мерности построения этой последовательности чем-то напоминает закономер-
ности перехода атома в различные возбужденные состояния, вследствие чего
физики рассматривают частицы с большим порядковым номером внутри этой
последовательности не в качестве самостоятельных частиц, а в качестве
возбужденных состояний частицы с наименьшей массой. Таким образом, ад-
рон, как и атом, может на какое-то время существовать в различных воз-
бужденных состояниях, которые отличаются от его обычного состояния
большим количеством вращений (или спин), и большей энергией (или мас-
сой).
Сходство квантовых состояний атомов и адронов наводит на мысль о том,
что адроны тоже представляют собой сложные объекты, имеющие внутреннюю
структуру и способные "возбуждаться", то есть поглощать энергию для об-
разования различных паттернов. Однако, сегодня мы еще не понимаем, как
образуются эти паттерны. В атомной физике их можно объяснить в терминах
свойств и взаимодействий компонентов атома (протонов, нейтронов и элект-
ронов), однако, это объяснение пока не может быть применено для описания
явлений мира частиц. Паттерны, обнаруженные в мире частиц, были опреде-
лены и классифицированы чисто эмпирическим путем, и их невозможно еще
исчислить из составляющей частицы структуры.
Главная сложность, с которой сталкиваются исследователи, занимающиеся
физикой частиц, заключается в том, что классические представления о
сложных "объектах", состоящих из "составных частей", оказываются беспо-
лезными при описании субатомных частиц. Узнать, из каких "составных час-
тей" состоят частицы, можно только одним путем-путем наблюдения за их
столкновениями. Однако результаты подобных экспериментов по столкновению
частиц отнюдь не подтверждают гипотезу "составных частей": более мелких
единиц вещества получить не удается. Например, два протона могут после
столкновения разлететься на множество "осколков", но среди них никогда
не будет "кусочков протона". Эти осколки всегда будут представлять собой
целые адроны, образующиеся из кинетических энергий и масс сталкивающихся
протонов. Поэтому распад на "составляющие" носит не очень очевидный ха-
рактер и зависит от количества энергии, принимающего участие в процессе.
В данном случае мы имеем дело с типично релятивистской ситуацией чередо-
вания и переплетения энергетических узоров, которые не могут рассматри-
ваться в терминах статических сложных объектов и составных частей. О
"структуре" атомной частицы можно говорить только в одном смысле--в
смысле ее способности принимать участие в различных процессах и взаимо-
действиях.
Способы преобразования частиц во время высокоэнергетических столкно-
вений подчиняются определенным законам, которые могут быть использованы
для описания мира частиц. В шестидесятые годы, когда было открыто основ-
ное большинство частиц, известных современной науке, многие физики уде-
ляли внимание, главным образом, изучению и сопоставлению закономерностей
этих преобразований, а не попыткам решить, что же лежит в основе таких
динамических паттернов, которые мы называем частицами. Это было вполне
естественно, и наука добилась на этом пути больших успехов. Важную роль
в исследованиях того периода играло понятие симметрии. Придав понятию
геометрической симметрии более общий и абстрактный характер, физики при-
обрели очень ценный критерий для классификации частиц.
В повседневной жизни самым наглядным примером симметрии является от-
ражение в зеркале; мы говорим о фигуре, что она симметрична, в том слу-
чае, если через центр этой фигуры можно провести прямую (рис. 45), кото-
рая разделит ее на две части, являющиеся зеркальными отражениями друг
друга. Более высокий уровень симметрии предусматривает наличие нес-
кольких линий, или осей симметрии, как, например, в одном из символичес-
ких изображений, использующихся в буддизме (см. рис. 46).
Однако отражение- не единственная операция, позволяющая достичь сим-
метрии. Мы называем симметричной и такую фигуру, которая не изменяет
своего облика, будучи повернута на определенный угол вокруг. своей оси.
Симметрия вращения используется, в частности, в знаменитом китайском
символе Тайцзи, или Великого предела, выражающем идею объединения двух
начал-ИНЬ и ЯН (см. рис. 47).
В физике частиц явления симметрии зачастую связаны не только с про-
цессами отражения и вращения, а последние могут происходить не только в
обычном пространстве (и времени), но и в абстрактных математических
пространствах. Симметричными могут быть отдельные частицы или их группы,
а поскольку свойства частиц определяются их способностью участвовать во
взаимодействиях, или процессах, все операции, позволяющие достичь сим-
метрии, связаны здесь с "законами сохранения". Если какой-либо субатом-
ный процесс характеризуется симметрией, можно с уверенностью утверждать,
что в нем принимает участие некая константа, или постоянная величина.
Константы являются маленькими островками стабильности в сложном танце
субатомной материи и могут помочь нам в описании взаимодействий частиц.
Некоторые величины остаются константами, или "сохраняются", во всех вза-
имодействиях, некоторые-только в их части. В результате в каждом процес-
се принимает участие определенное количество констант. Поэтому симмет-
ричность частиц и их взаимодействий воплощается в законах сохранения.
Физики используют обе эти формулировки, говоря то о симметрии процесса,
то о соответствующем законе сохранения.
Существуют четыре основные разновидности законов сохранения, предс-
тавляющихся общими для всех процессов. Три из них связаны с простыми
операциями, позволяющими достичь симметрии в обычном пространстве и вре-
мени. Все взаимодействия частиц характеризуются симметричностью в отно-
шении пространственных перемещений: в Лондоне они происходят точно таким
же образом, как и в Нью-Йорке. Они обладают симметричностью и в отноше-
нии перемещений во времени, протекая во вторник точно так же, как и в
четверг. Одна из симметрий связана с сохранением импульса, вторая-с сох-
ранением энергии. Это означает, что суммарная величина импульса, прини-
мающего участие в каком-либо взаимодействии, а также суммарное количест-
во энергии частиц, включающей их массы, остаются постоянными до начала
реакции и после ее завершения. Третий основополагающий тип симметрии
связан с расположением в пространстве. Смысл этой симметрии заключается
