томной действительности и принципиальной взаимосвязанности и нераз-
дельной слитности всех происходящих в ней явлений. В последних двух гла-
вах повествуется о том, как в течение десяти последних лет в рамках это-
го динамического направления возник совершенно новый подход к рассмотре-
нию симметрий и законов природы, который вполне гармонирует как с миро-
воззрением современной физики, так и с восточными мистическими учениями.
Глава 17. МОДЕЛИ ПЕРЕМЕН
Одна из основных задач современной физики-объяснение симметрий мира
частиц при помощи динамической модели, то есть в терминах взаимодействий
между частицами. Сложность, собственно говоря, заключается в том, чтобы
одновременно принять во внимание теорию относительности и квантовую тео-
рию. Паттерны частиц, вероятно, отражают "квантовую природу" этих час-
тиц, поскольку сходные паттерны встречаются и в мире атомов. В физике
частиц, однако, их невозможно объяснить как волновые паттерны, в рамках
квантовой теории, поскольку вовлекаемые в эти процессы энергии столь ве-
лики, что необходимо применять теорию относительности. Поэтому для расс-
мотрения симметрий необходима "квантово-релятивистская" теория частиц.
Первая модель такого типа-теория квантового поля. Она прекрасно под-
ходит для описания всех элементарных взаимодействий между электронами и
фотонами, но не может помочь при рассмотрении сильных взаимодействий (в
Послесловии эта сторона проблемы раскрыта более полным образом). По мере
открытия новых частиц физики все больше убеждались в том, что концепция,
согласно которой каждому типу частиц соответствует особая разновидность
поля, является непродуктивной. Когда ученым стало ясно, что мир частиц
представляет собой сложное переплетение взаимосвязанных процессов, они
начали искать новые модели для объяснения этой динамической, непрестанно
изменяющейся действительности. Им хотелось описать математическим языком
все сложные закономерности адронных преобразований: их постоянные прев-
ращения друг в друга, взаимодействия между адронами через посредство
других частиц, возникновение "связанных состояний" двух или большего ко-
личества адронов и их последующий распад на различные сочетания частиц.
Все эти процессы, характерные для сильных взаимодействий и получившие
общее наименование "реакций частиц", должны рассматриваться в контексте
единой квантоворелятивистской адронной модели.
На сегодняшний день для описания адронов наилучшим образом подходит
так называемая "теория S-матрицы". Ключевое понятие теории, S-матрица,
было впервые предложено Гейзенбергом в 1943 году. За последующие два де-
сятилетия ученые построили на его основе стройную математическую модель
для описания сильных взаимодействий. S-матрица представляет собой набор
вероятностей для всех возможных реакций с участием адронов. S-матрица
получила такое наименование благодаря тому обстоятельству, что вся сово-
купность возможных адронных реакций может быть представлена в виде бес-
конечной последовательности ячеек, которая в математике называется мат-
рицей. Буква "s" сохранилась от полного названия этой матрицы, которая
звучит как "матрица рассеивания" (англ. "рассеивание" "scattering") и
используется для обозначения процессов столкновений, или "рассеиваний",
численно преобладающих среди всех реакций частиц.
Впрочем, на практике ни у кого обычно не возникает необходимости ис-
пользовать S-матрицу целиком, то есть рассматривать всю совокупность ад-
ронных процессов в целом. Поэтому физики, как правило, имеют дело только
с отдельными частями, или "элементами", S-матрицы, имеющими отношение к
той разновидности реакций, которая является предметом исследования того
или иного ученого. Эти элементы изображаются в виде графиков (см. рис.
50). На этом рисунке мы видим одну из самых обычных реакций частиц: две
частицы, А и В, сталкиваются друг с другом, превращаясь в две другие
частицы -С и D. Более сложные процессы имеют больше частиц-участников и
изображаются при помощи следующих графиков (рис. 51).
Очень важно учесть тот факт, что графики S-матрицы значительно отли-
чаются от графиков Фейнмана, использующихся в теории поля. Они не изоб-
ражают механизм реакции подробно, а лишь обозначают ее первоначальных и
конечных участников. В теории поля тот же самый обычный процесс А+В-C+D
будет изображаться в виде обмена виртуальной частицей V (см. рис. 52). В
теории S-матрицы мы просто нарисуем кружок в месте пересечения линий
двух частиц, не уточняя, что именно происходит внутри него. Поэтому гра-
фики S-матрицы не относятся к разряду пространственно-временных, предс-
тавляя собой более обобщенные символические изображения реакций частиц.
Эти реакции не принято характеризовать тем или иным положением в прост-
ранстве и времени. Их единственными характеристиками являются скорости,
или, точнее, импульсы, частиц на входе ячейки S-матрицы и на выходе из
них.
Из этого, безусловно, следует, что график S-матрицы содержит гораздо
меньше информации, чем соответствующий график Фейнмана. С другой сторо-
ны, теория S-матрицы позволяет избежать той трудности, которая не может
быть преодолена в рамках теории поля. Совокупное влияние теории относи-
тельности и квантовой теории заключается в том, что взаимодействие тех
или иных частиц не может быть точно локализовано в пространстве и време-
ни. Согласно принципу неопределенности, при более четкой пространствен-
ной локализации взаимодействия частиц возрастает неопределенность их
скоростей (глава II), а следовательно, и неопределенность их кинетичес-
кой энергии. Рано или поздно запас кинетической энергии окажется доста-
точным для образования новых частиц, после чего нельзя с уверенностью
утверждать, что мы имеем дело с тем же самым процессом. Поэтому теория,
объединяющая квантовую теорию с теорией относительности, должна отка-
заться от точного местонахождения отдельных частиц. Если это условие ос-
танется невыполненным, как в теории поля, мы неизбежно столкнемся с ко-
лоссальными математическими трудностями. Именно в этих трудностях заклю-
чается головная боль всех ученых, занимающихся разработкой теорий кван-
тового поля. Теория S-матрицы решает эту проблему, указывая точные зна-
чения только для импульсов частиц и умалчивая о том участке прост-
ранства, в котором происходит соответствующая реакция.
Одно из важнейших нововведений теории S-матрицы заключается в том,
что она переносит акценты с объектов на события; предмет ее интереса
составляют, таким образом, не частицы, а реакции между ними. Такое сме-
щение акцентов вытекает из положений квантовой теории и теории относи-
тельности. С одной стороны, квантовая теория утверждает, что субатомная
частица может рассматриваться только в качестве проявления взаимо-
действия различными процессами измерения. Она представляет собой не изо-
лированный объект, а своего рода происшествие, или событие, которое осо-
бенным образом реализует связь между двумя другими событиями. По словам
Гейзенберга.
"[В современной физике] мир делится не на различные группы объектов,
а на различные группы взаимоотношений...
Единственное, что поддается выделению,-это тип взаимоотношений, имею-
щих особенно важное значение для того или иного явления... Мир, таким
образом, представляется нам в виде сложного переплетения событий, в ко-
тором различные разновидности взаимодействий могут чередоваться друг с
другом, накладываться или сочетаться друг с другом, определяя пос-
редством этого текстуру целого" {34, 107}.
С другой стороны, теория относительности побуждает нас говорить о
частицах в терминах пространства-времени, понимая их как четырехмерные
паттерны-не столько объекты, сколько процессы. S-матричный подход
объединяет обе эти точки зрения. Используя четырехмерный математический
формализм теории относительности, такой подход описывает все свойства
адронов в форме реакций (или, что более точно, в терминах вероятностей
реакций), устанавливая, таким образом, тесную взаимосвязь между частица-
ми и процессами. В каждой реакции принимают участие различные частицы,
которые связывают ее с остальными реакциями, формируя единую сеть про-
цессов.
Нейтрон, например, может участвовать в двух последовательных реакци-
ях, включающих различные частицы: в первой - протон и п-, во второй - S-
и К-. Таким образом, нейтрон оказывается звеном, соединяющим две реакции
в рамках более масштабного процесса (см. рис. 53, график "а"). Каждая из
"входных" и "выходных" частиц в этом процессе может принимать участие и
в других реакциях; так, протон может возникнуть благодаря взаимодействию
между К+ и Л (см. график "в"). К+ вступит в реакцию с К- и п+, а п- - с
еще тремя пионами.
В результате наш нейтрон оказывается звеном в огромной сети взаимо-
действий, сети "переплетения событий", если говорить языком S-матрицы.
Взаимодействия внутри такой сети не могут быть определены со стопроцент-
ной точностью. Им можно приписать только вероятностные характеристики.
Для каждой реакции характерна та или иная вероятность, зависящая от за-
паса энергии и других параметров реакции, и все эти вероятности опреде-
ляются различными элементами S-матрицы. При этом мы можем дать в высшей
степени динамическое описание структуры адрона (см. рис. 54). В этом но-
вом контексте нейтрон из нашей сети может рассматриваться в качестве
"связанного состояния" протона и п-, из которых он образовался, а также
в качестве связанного состояния S- и К-, которые образуются в результате
его распада. Каждое из этих двух сочетаний адронов, как, впрочем, и мно-
гие другие, может преобразоваться в нейтрон, а следовательно, они могут
быть названы компонентами его "структуры". Тем не менее, структура адро-
на понимается в данном случае не в качестве некоего соединения составных
частей, а в качестве соотношения вероятностей участия различных частиц в
образовании того или иного адрона. При таком подходе протон потенциально
присутствует внутри пары нейтрон-пион, каон-ламбда и т. д. Помимо этого,
протон обладает потенциальной способностью распадаться на каждое из этих
сочетаний при наличии достаточного количества энергии. Склонность адрона
к существованию в различных проявлениях определяется вероятностями соот-
ветствующих реакций, каждая из которых может рассматриваться в качестве
одного из аспектов внутренней структуры адрона.
Понимая под структурой адрона его склонность подвергаться различным
реакциям, теория S-матрицы придает понятию структуры динамический харак-
тер. Такая трактовка структуры прекрасно соотносится с экспериментальны-
ми данными. Участвуя в высокоэнергетических столкновениях, адроны всегда
распадаются на другие адроны, и поэтому мы можем утверждать, что они по-
тенциально "состоят" из этих сочетаний адронов. Каждая из образующихся
при этом частиц будет подвергаться дальнейшим преобразованиям, соединяя,
таким образом, наш исходный адрон с целой сетью событий, которую можно
запечатлеть внутри пузырьковой камеры при помощи фотоаппарата. Примеры
таких сетей реагирования изображены на рисунках в главе 15 и на рис. 55.
Хотя проявление той или иной сети во время конкретного эксперимента
определяется одной лишь случайностью, каждая сеть обладает вполне предс-
казуемой структурой. Причина-в действии уже упоминавшихся законов сохра-
нения, согласно которым могут происходить только такие реакции, в кото-
рых сохраняется неизменным определенный набор квантовых чисел. Прежде
всего, константой должно быть суммарное количество энергии. Это означа-
ет, что в ходе реакции могут возникать только те частицы, для образова-
ния массы которых окажется достаточным имеющийся запас энергии. Далее,
возникшие частицы должны в совокупности обладать тем же квантовыми чис-
