лами, что и первоначальные частицы. Возьмем, к примеру, взаимодействие
протона и пи-. Суммарный электрический заряд этих частиц равен нулю. В
результате их столкновения могут образоваться нейтрон и пи-0 но не нейт-
рон и пи+, так как суммарный электрический заряд второго сочетания равен
+1.
Следовательно, адронные реакции представляют собой поток энергии, в
котором возникают и исчезают частицы, но эта энергия может "течь" только
по некоторым определенным "каналам", характеристиками которого и являют-
ся квантовые числа, сохраняющиеся во время сильных взаимодействий в ка-
честве констант.
В теории S-матрицы понятие канала реакции имеет более фундаментальное
значение, чем понятие частицы. Оно определяется как набор квантовых чи-
сел, присущий различным адронным сочетаниям, а нередко-и отдельным адро-
нам. Какое именно сочетание пройдет через тот или иной канал, определя-
ется вероятностью и зависит, в первую очередь, от имеющегося количества
энергии. График на рис. 56 соответствует взаимодействию между протоном и
п-, на промежуточной стадии которого образуется нейтрон. Таким образом,
канал реакции состоит сначала из двух адронов, потом - из одного, а в
конце концов-снова из первоначальной пары адронов. При наличии большого
количества энергии тот же самый канал мог бы состоять из пар Л-К, 2-Ки
т. д.
Еще более уместно рассматривать в терминах каналов реакций резонансы
- эти крайне недолговечные состояния адронов, которые характерны для
всех сильных взаимодействий. Они представляют собой настолько эфемерные
явления, что физики сначала даже не хотели рассматривать их в качестве
частиц, да и до сих пор одна из важнейших задач, стоящих перед современ-
ной экспериментальной физикой высоких энергий, заключается в том, чтобы
более точно определить свойства резонансов. Резонансы образуются во вре-
мя столкновений между адронами и почти сразу же распадаются. В пузырько-
вой камере они никак не обнаруживают своего присутствия, и обнаружить их
можно только благодаря характерному изменению вероятностных характерис-
тик реакций. Вероятность прохождения реакции при столкновении двух адро-
нов зависит от количества энергии, принимающей участие в столкновении.
При изменении количества энергии вероятность тоже изменяется; причем при
увеличении запаса энергии она может не только возрасти, но и снизиться,
что определяется другими особенностями реакции. Однако при некоторых
значениях запаса энергии вероятность реакции возрастает довольно резко;
при таких значениях реакция будет происходить гораздо чаще, чем при всех
остальных. Резкий рост вероятности связан с образованием недолговечного
промежуточного адронного состояния с массой равной тому количеству энер-
гии, при котором отмечается резкое увеличение вероятности.
Причина, по которой эти недолговечные адронные состояния получили
название резонансов, имеет отношение к аналогии из механики, связанной с
хорошо известным явлением резонанса при колебаниях. Возьмем, к примеру,
звук, то есть колебания воздуха. Мы знаем, что воздух, находящийся внут-
ри какого-либо полого предмета, обладает способностью слабо реагировать
на приходящие извне звуковые волны, но если волны достигнут определенной
частоты, называющейся частотой резонанса, воздух внутри полости тоже
начнет совершать колебания, или "резонировать". Канал адронной реакции
тоже можно уподобить такому резонирующему предмету, поскольку энергия
столкновения адронов связана с частотой соответствующей вероятности вол-
ны. Когда эта энергия, или, что то же самое, частота, достигает опреде-
ленного значения, канал начинает "резонировать", колебания вероятностной
волны внезапно усиливаются, что вызывает резкий скачок вероятности реак-
ции. Большинство каналов реакции имеют несколько резонансных значений
энергии, каждое из которых соответствует недолговечному адронному состо-
янию, реализующемуся при приближении энергии столкновения к резонансному
значению.
В контексте теории S-матрицы вопрос о том, являются ли резонансы
"частицами", теряет свой смысл. Все частицы воспринимаются как промежу-
точные стадии в сети реакций, и тот факт, что продолжительность сущест-
вования резонансов гораздо меньше, чем продолжительность существования
других адронов, не имеет решающего значения. "Резонанс"-и в самом деле
очень удачное название. Оно относится одновременно и к событиям в канале
реакции, и к адрону, образующемуся в процессе этих событий, обнаруживая,
таким образом, неразрывную связь между частицами и реакциями. Резо-
нанс-это частица, но не объект. Гораздо более уместно назвать его собы-
тием, процессом или чем-нибудь в этом роде.
Это описание адронов в физике вызывает в памяти уже цитировавшееся
выше высказывание Д. Т. Судзуки:
"Буддисты воспринимают объект как событие, а не как вещь или матери-
альную субстанцию".
То, что открылось буддистам благодаря мистическому интуитивному проз-
рению, было документально подтверждено экспериментами и математическими
теориями современной науки.
Для того, чтобы описать все адроны как промежуточные состояния в сети
реакций, мы должны иметь возможность охарактеризовать силы взаимо-
действия между ними. Последние принадлежат к числу сил, действующих при
сильных взаимодействиях, и отражают, или "рассеивают" адроны, участвую-
щие в столкновениях, уничтожая их или преобразуя в другие структуры, а
также объединяя их в группы, служащие для последующего образования про-
межуточных связанных состояний. В теории S-матрицы, как и в теории поля,
силы взаимодействий ассоциируются с частицами, однако понятие вирту-
альной частицы не используется. Вместо этого соотношения между силами и
частицами основываются на особом свойстве S-матрицы, известном под наз-
ванием "кроссинг". Рассмотрим его на примере следующего графика, изобра-
жающего взаимодействие между протоном и пи(рис. 57).
Если мы перевернем этот график на 90 градусов, придерживаясь принято-
го ранее допущения (глава 12), согласно которому стрелки, направленные
вниз, означают античастицы, мы увидим на графике взаимодействие антипро-
тона (р-) и протона (р), в результате которого образуется пара пионов,
причем п+ представляет собой античастицу для п- исходного взаимодействия
(рис. 58).
Свойство "кроссинга", то есть пересечения, перекрестка, характерное
для S-матрицы, в данном случае заключается в том, что оба эти процесса
могут быть изображены при помощи одного и того же элемента S-матрицы
(рис. 59), то есть два наших графика соответствуют только различным ас-
пектам, или "каналам", одной и той же реакции. (Мы можем продолжать вра-
щать график, получая новые и новые варианты реакций, описываемые, тем не
менее, при помощи все того же графика. Каждый элемент S-матрицы изобра-
жает шесть различных процессов, однако для нашего рассказа о силах взаи-
модействия достаточно упомянуть только о двух из них, которые названы
выше). Для специалистов в области физики частиц переходы от одного кана-
ла к другому являются обычными, и вместо того, чтобы переворачивать гра-
фик, они просто читают его снизу вверх или слева направо, говоря при
этом о "прямом канале" или "кросс-канале". Таким образом, реакция в на-
шем примере будет прочитана как р+(пи-)->р+(пи-) в прямом канале, и как
(р-)+(р) -> (пи-)+(пи+)-в кросс-канале.
Связь между силами и частицами осуществляется при помощи промежуточ-
ных состояний двух каналов. В нашем случае в прямом канале протон и пи-
могут образовать промежуточный нейтрон, а кросс-канал может состоять из
промежуточного нейтрального пиона (пи0). Этот пион, промежуточное состо-
яние кросс-канала, будет рассматриваться как воплощение сил, действие
которых в прямом канале выражается в связывании протона и пи- в единое
целое для образования нейтрона. Таким образом, для установления связи
между силами и частицами нам необходимы оба канала: то, что в одном из
них является силой, в его кросс-канале будет уже промежуточной частицей
(рис. 60).
Хотя переключение с одного канала на другой не представляет больших
трудностей математического порядка, получить четкое интуитивное ощущение
того, что при этом происходит, очень сложно, если вообще возможно. Дело
в том, что "кроссинг" представляет собой типично релятивистское явление,
рассматривающееся в контексте четырехмерного формализма теории относи-
тельности и с трудом поддающееся визуализации. С похожим положением дел
мы сталкиваемся в теории поля, где силы взаимодействия рассматриваются в
виде обменов виртуальными частицами. И в самом деле, график, на котором
изображен промежуточный пион в кросс-канале, чем-то напоминает графики
Фейнмана, использующиеся для описания обменов виртуальными частицами (не
следует, однако, забывать о том, что графики S-матрицы не являются
пространственно-временными и имеют характер приблизительных, символичес-
ких изображений реакции частиц, а также о том, что переключение от одно-
го канала к другому происходит в абстрактном математическом прост-
ранстве). В этой связи можно условно говорить о том, что протон и пивза-
имодействуют посредством обмена пи0. Такие выражения нередко встречаются
в речи физиков, однако они не вполне точны. Более адекватное толкование
происходящего требует обязательного использования абстрактных понятий
прямого и кросс-каналов, которые практически невозможно представить себе
зрительно.
Несмотря на различные математические подходы, общее понимание сил
взаимодействия в теории S-матрицы мало отличается от теории поля. Сог-
ласно обеим теориям, силы проявляются в форме частиц, масса которых оп-
ределяет радиус действия силы. Обе теории видят в силах имманентные
свойства взаимодействующих частиц: в теории поля силы являются отражени-
ем структуры виртуальных облаков частиц, а в теории S-матрицы они порож-
даются связанными состояниями взаимодействующих частиц. Обоснованная на-
ми параллель с восточным толкованием понятия силы, характерна, таким об-
разом, для обеих этих теорий (см. главу 14). Из такого подхода к расс-
мотрению сил взаимодействия вытекает важный вывод о том, что все извест-
ные частицы должны иметь некую внутреннюю структуру, поскольку только в
последнем случае они смогут вступать во взаимодействие с наблюдателем и
быть замеченным им. По словам Джеффри Чу, одного из создателей теории
S-матрицы,
"Воистину, элементарная частица - полностью лишенная внутренней стру-
ктуры - не была бы подвержена действию каких-либо сил, которые могли бы
помочь нам обнаружить ее существование. Уже из того самого факта, что
нам известно о существовании частицы, следует сделать вывод о том, что
эта частица обладает внутренней структурой!" {15.99}.
Раз кварки нам не видны в самостоятельном виде, не означает ли это,
что они не имеют структуры? [А.Б.]
Особое преимущество математического языка теории S-матрицы заключает-
ся в том, что при его помощи можно описать "обмен" целой адронной
семьей. Как говорилось в предыдущей главе, все адроны можно разделить на
последовательности, для членов каждой из которых характерна полная иден-
тичность всех свойств, за исключением массы и спина. Математическая фор-
мулировка, впервые предложенная Туллио Редже, позволяет рассматривать
каждую из этих последовательностей в качестве множества возбужденных
состояний одного и того же адрона. За последние годы ученым удалось
объединить формулировку Редже с теорией S-матрицы, в которой ее стали
очень успешно применять для описания адронных реакций. Введение в науч-
ный обиход этой формулировки является одним из наиболее важных усовер-
шенствований теории S-матрицы, и может расцениваться как первый шаг к
динамическому объяснению паттернов частиц.
Таким образом, теория S-матрицы позволяет физикам описывать строения
