в том, что направление движения частиц, принимающих участие во взаимо-
действии (скажем, вдоль оси север-юг или запад-восток), не оказывает ни-
какого влияния на результаты взаимодействия. Как следствие этой законо-
мерности, суммарное количество вращения не должно изменяться во время
процесса. Наконец, четвертым законом является закон сохранения электри-
ческого заряда. Он связан с более сложной операцией симметрии. однако
его формулировка в качестве закона сохранения предельно проста: суммар-
ный электрический заряд, присущий всем участвующим в столкновении части-
цам, остается неизменным.
Существует еще несколько законов сохранения, связанных с операциями
симметрии, в абстрактных математических пространствах, как и закон сох-
ранения электрического заряда. Некоторые из них соблюдаются во всех про-
цессах, некоторые-только в определенных их разновидностях (как, напри-
мер, при сильных электромагнитных, но не при слабых воздействиях). Соот-
ветствующие константы можно рассматривать как "абстрактные заряды" час-
тиц. По той причине, что эти "заряды" всегда принимают целые или "полу-
целые" значения, они получили название "квантовые числа", по аналогии с
квантовыми числами атомной физики. Следовательно, каждая частица соотно-
сится с определенным набором квантовых чисел, которые зависят от ее мас-
сы и полностью характеризуют все ее свойства.
Например, адроны характеризуются такими величинами, как "изоспин" и
"гиперзаряд". Эти два квантовых числа являются константами во всех
сильных взаимодействиях. Если мы расположим восемь мезонов, перечислен-
ных в таблице в предыдущей главе, в соответствии со значениями этих двух
квантовых чисел, то получим гексагональный паттерн, известный в совреме-
нной физике под названием "мезонный октет". При таком расположении мы
наблюдаем несколько осей симметрии: так, частицы и античастицы занимают
в шестиугольнике противоположные позиции, а две частицы в центре являют-
ся античастицами друг для друга. Аналогичный паттерн образуют восемь на-
иболее легких барионов. Он носит название "барионный октет". Отличие за-
ключается в том, что в последнем случае античастицы не входят в нее, а
образуют идентичный ей энтиоктет. Последний, девятый барион из нашей та-
блицы-омега, вместе с девятью резонансами принадлежат к другому паттер-
ну-"барионная десятка". Все частицы, принадлежащие тому или иному симме-
тричному паттерну, имеют одинаковые квантовые числа, за исключением изо-
спина и гиперзаряда, от которых зависит их расположение внутри паттерна.
Так, все мезоны в октете имеют нулевой спин (то есть не вращаются сов-
сем): барионы в октете имеют спин, равный 1/2, а в барионной десятке-3/2
(см. рис. 49).
Квантовые числа используются не только для классификации частиц и
разделения их на "семьи", формирующие четкие симметрические паттерны, и
для определения положения каждой частицы внутри соответствующего паттер-
на, но и для классификации взаимодействий частиц в зависимости от прису-
щих им законов сохранения. Таким образом, два взаимосвязанных поня-
тия-понятия симметрии и сохранения-оказываются чрезвычайно полезными при
описании закономерности мира частиц.
Поразительно то, что все эти закономерности приобретают гораздо более
простой вид, если мы придерживаемся той точки зрения, что адроны состоят
из небольшого количества элементарных единиц, которые до сих пор ус-
кользали от непосредственного наблюдения. Эти единицы получили название
"кварков". Этот термин был впервые использован Мюрреем Гелл-Манном, ко-
торый заимствовал это слово из романа Джеймса Джойса "Поминки по Финне-
гану", содержащего такую строку: "Три кварка для Мастера Марка", и при-
менил его для обозначения постулированных им частиц. Гелл-Манну удалось
объяснить большое количество таких адронных паттернов, как описанные вы-
ше октеты и барионные десятки, приписав трем своим кваркам и их антик-
варкам соответствующие значения квантовых чисел и составляя из них раз-
личные сочетания для того, чтобы получить барионы и мезоны, квантовые
числа которых складываются из квантовых чисел составляющих их кварков.
При этом предполагается, что барионы "состоят" из трех кварков, их анти-
частицы - из соответствующих антикварков, а мезоны - из сочетания кварка
и антикварка.
Простота и эффективность этой модели совершенно очевидны, но, считая
кварки реальными физическими составляющими адронов, мы неизбежно столк-
немся с непреодолимыми трудностями. До сих пор, несмотря на самые актив-
ные старания физиков обнаружить кварки при помощи бомбардировки адронов
наиболее "скоростными" частицами-"снарядами", все их попытки были обре-
чены на неудачу. Этот результат может, по всей видимости, означать
только одно, а именно: то, что кварки должны быть связаны между собой
очень мощными силами притяжения. Наши нынешние представления о частицах
и их взаимодействиях предполагают, что за всеми силами в действительнос-
ти стоит обмен более мелкими частицами, то есть, что кварки имеют некую
внутреннюю структуру, подобно всем остальным сильновзаимодействующим
частицам. Но в модели Гелл-Мапна кварки рассматриваются в качестве то-
чечных лишенных структуры единиц. Из-за этого несоответствия физикам до
сих пор не удается сформулировать кварковскую модель таким образом, что-
бы одновременно учесть и симметрию, и силы притяжения.
За последнее десятилетие ведущие специалисты по экспериментальной фи-
зике предприняли настоящую "охоту за кварком", которая до сих пор не
увенчалась успехом. Если отдельные кварки могут существовать самостоя-
тельно, сами по себе, их детекция не должна представлять больших затруд-
нений, так как модель ГеллМанна приписывает им ряд очень необычных
свойств, как, в частности, обладание электрическим зарядом, равным одной
или двум третям заряда электрона, что принципиально невозможно в мире
частиц. До сих пор таких частиц обнаружить не удавалось. Невозможность
обнаружить кварки экспериментальным путем, в сочетании с серьезными тео-
ретическими возражениями против их существования, сделали вероятность их
существования довольно проблематичной.
С другой стороны, кварковая модель продолжает оставаться в высшей
степени уместной для описания закономерностей мира частиц, хотя она уже
давно не используется в своей первональной форме. Согласно формулировке
Гелл-Манна, все адроны могут состоять из кварков трех типов и их антик-
варков, однако к настоящему времени физикам пришлось постулировать су-
ществование дополнительных кварков для того, чтобы объяснить все много-
образие адронных паттернов. Три кварка Гелл-Манна получили довольно ус-
ловные обозначения: u (от английского слова "up"-"вверх"), d (от анг-
лийского слова "down" - "вниз) и s (от английского слова "strange" -
"странный). Первым дополнением к первоначальной концепции, возникшем в
результате применения кварковой гипотезы ко всему массиву данных о мире
частиц, было положение, согласно которому каждый кварк должен обладать
тремя потенциальными состояниями, или цветами. Слово "цвет" используется
здесь довольно произвольно и не имеет ничего общего с нашим понятием
цвета. Согласно модели разноцветных кварков, барионы состоят из трех
кварков разных цветов, а мезоны-из пары кварк-антикварк одного и того же
цвета.
Введение понятия цвета увеличило количество кварков до девяти, а не-
давно было постулировано существование еще одного, уже четвертого, квар-
ка, который тоже может появляться в любом из трех цветов. Из-за любви
физиков к необычным названиям этот новый кварк был обозначен при помощи
буквы "с" (от английского слова "charm"-"очарование"). В результате
кварков стало двенадцать-четыре разновидности, каждая из которых может
существовать в трех цветах. Для того, чтобы разграничить понятия разно-
видности и цвета, физики ввели понятие "аромата", и говорят теперь о
кварках различных цветов и ароматов.
Многообразие закономерностей, находящих объяснение при помощи этой
"двенадцатикварковой" модели, представляется воистину впечатляющим (в
послесловии разговор о кварках продолжается с учетом более современных
исследований в этой области). Нет никакого сомнения в том, что для всех
адронов характерны "кварковые симметрии", и, хотя наше сегодняшнее пони-
мание частиц и их взаимодействий плохо соотносится с возможностью сосу-
ществования физических кварков, адроны очень часто ведут себя таким об-
разом, как если бы они в самом деле состояли из точечных элементарных
компонентов. Парадоксальная ситуация вокруг кварковой модели очень похо-
жа на ситуацию, сложившуюся накануне возникновения атомной физики, когда
настолько же очевидная парадоксальность физической действительности по-
будила ученых осуществить радикальный переворот в понимании атомов. За-
гадка кварков обладает всеми признаками нового Коана, решение которого
тоже может повлечь существенное изменение наших воззрений на природу су-
батомных частиц. По сути дела, это изменение уже происходит на наших
глазах. Его описанию посвящены следующие главы. Некоторые физики прибли-
зились к решению кваркового коана уже сегодня, что позволяет им сопри-
коснуться с наиболее удивительными сторонами физической действительнос-
ти.
Обнаружение симметричных паттернов в мире частиц привело физиков к
выводу о том, что эти паттерны являются отражением фундаментальных зако-
нов природы. За последние пятнадцать лет усилия многих исследователей
были посвящены поиску высшей, наиболее "фундаментальной симметрии", ко-
торая была бы характерна для всех частиц, и могла бы поэтому помочь уче-
ным понять принципы строения материи. Подобный подход был характерен для
европейской науки со времен Древней Греции. Греческая наука, философия и
искусство придавали очень большое значение симметрии, вкупе с геометри-
ей, и видели в ней воплощение красоты, гармонии и совершенства. Так,
например, пифагорейцы считали, что сущность всех вещей определяется сим-
метричным числом паттернов; Платон был уверен в том, что атомы четырех
элементов представляют собой твердые тела; большинство греческих астро-
номов придерживались концепции, согласно которой все небесные тела дви-
жутся по окружностям, поскольку круг--самая симметричная геометрическая
фигура.
Восточные философы отводили симметрии совершенно другое место. После-
дователи дальневосточных мистических традиций часто используют симмет-
ричные паттерны при медитации или в качестве символов, однако понятие
симметрии не играет заметной роли в их философии. Напротив, оно, как и
все понятия, считается продуктом мыслительной деятельности человека, а
не свойством, присущим самой природе. Поэтому восточные мудрецы не при-
дают симметричности большого значения. В соответствии с этим философским
подходом восточное искусство часто использует асимметричные очертания и
последовательности и избегает всех правильных и геометрических форм. Во
вдохновленной учением дзэн живописи Китая и Японии мы нередко встречаем
изображения в так называемом "стиле одного угла": расположение камней в
японских садах не подчиняется правилам симметрии, что еще раз подтверж-
дает, что роль симметрии в восточной культуре сильно отличается от ее
роли в культуре Европы.
По всей видимости, стремление к поиску фундаментальной симметрии в
физике частиц является частью нашего эллинического наследия, которое,
тем не менее, плохо соотносится с общим мировоззрением современной нау-
ки. Однако подчеркнутое внимание к симметриям характерно не для всех
направлений физики частиц. Наряду со статическим, "симметрическим" нап-
равлением в ней представлена и "динамическая" школа, которая стремится
рассматривать паттерны частицы не как конечный уровень устройства мира,
а как нечто вторичное, своего рода проявление динамической природы суба-
