Александр Потупа - Бег за бесконечностью
Прежде всего остановимся на двух так называемых абсолютных законах сохранения: электрического и барионного зарядов (или квантовых чисел). К тому, что электрический заряд в некотором замкнутом объеме не исчезает бесследно и не появляется из ничего, мы привыкли с довольно давних времен. Когда речь идет об элементарных частицах, то закон сохранения электрического заряда означает, что алгебраическая сумма числа положительных и отрицательных зарядов до начала реакции и после нее не изменяется. Этот закон проверен в таком количестве опытов и со столь высокой степенью точности, что его относят к числу абсолютных законов сохранения. Важно то, что он выполняется в любых реакциях и ни одно из известных взаимодействий не способно его нарушить.
Одно из важнейших проявлений этого закона состоит в том, что электрон легчайшая из электрически заряженных элементарных частиц — абсолютно стабилен, то есть не способен к самопроизвольному распаду на какие-нибудь более легкие незаряженные частицы, например, на нейтрино.
Другой абсолютный закон сохранения связан со своеобразной закономерностью в поведении барионов, к которым, как вы помните, относятся протон, нейтрон, гипероны и значительная часть известных адронных резонансов. Барионы не могут бесследно исчезнуть или появиться из ничего. Иными словами, сумма числа барионов и антибарионов до какой-либо реакции и после нее остается постоянной. Формально этот закон можно представлять себе так, что как бы каждому бариону приписывается барионный заряд плюс единица, а каждому антибариону — минус единица, и в любой реакции алгебраическая сумма зарядов будет сохраняться.
Закон сохранения барионного заряда также проверен в огромном количестве опытов и в некотором смысле даже с большей точностью, чем в случае сохранения электрического заряда. Дело в том, что легчайший из барионов протон — не должен распадаться на какие-то более легкие частицы, например, на мезоны или лептоны, не несущие барионного заряда. Поэтому о протоне говорят: он абсолютно стабилен.
Но, используя определения типа «абсолютно», физики имеют в виду лишь то, что точность, с которой проводятся опыты на сегодняшний день, не позволяет уловить акты распада того же протона. Эта точность имеет вполне конкретную оценку, на основе которой обычно и делается вывод, что протон имеет время жизни больше, чем 2.1030 лет. Аналогичная оценка существует и для электрона — его время жизни должно превышать 3.1021 лет.
Теперь нам ясно, в каком смысле закон сохранения барионного заряда «сильней» закона сохранения электрического заряда. Практически же можно говорить и об абсолютно точном сохранении зарядов, ведь среднее время жизни и протона и электрона превышает время жизни наблюдаемого участка вселенной (порядка 2.1010 лет)!
Однако приведенное уточнение важно для понимания точки зрения физиков на законы сохранения вообще, идет ли речь о зарядах, импульсе, энергии или других важнейших характеристиках частиц. Всякий закон сохранения не есть какая-то абсолютно непреложная истина, а результат осмысления большого количества экспериментальных данных. Если появляются данные, которые никак нельзя согласовать с тем или иным законом, то его приходится считать приближенным. Тем не менее борьба за каждый закон сохранения идет до самого конца, и тщательно рассматриваются любые идеи, способные его спасти. Вспомним хотя бы историю гипотезы о существовании нейтрино, которая была выдвинута во имя спасения закона сохранения энергии.
Наряду с абсолютными законами сохранения электронного и барионного зарядов, которые играют очень важную и общую роль в наших представлениях о микромире, существуют другие приближенные законы сохранения, на долю которых и выпала главная тяжесть по наведению порядка в чрезмерно разросшейся таблице элементарных частиц.
Еще в 1932 году В. Гейзенберг обратил внимание на поразительную схожесть двух фундаментальных составляющих ядерной структуры — протона и нейтрона. Их массы отличались всего на десятую долю процента. И у него возникало, естественно, подозрение: если протон был бы вообще лишен электрического заряда, то не превратился ли бы он в самый настоящий нейтрон?
И тогда В. Гейзенберг выдвинул интересную идею: протон и нейтрон представляют собой просто различные состояния одной частицы — нуклона. Если вообразить мир, в котором «по мановению волшебной палочки» выключились бы электромагнитные взаимодействия, например, все фотоны объявили бы забастовку и не захотели бы вступать в контакт с электрическими зарядами то у физиков не нашлось бы никакого способа узнать «кто есть кто», — все частицы в ядре выглядели бы на одно лицо. И двуликую природу нуклонов можно установить после этого единственным путем — снова запустить в этот воображаемый мир фотоны и заставить их нести свои важные обязанности по розыску электрических зарядов.
Таким образом, нуклон совмещает в себе представление о двух частицах и как бы расщепляется на протон и нейтрон под действием электромагнитного поля. Аналогичная ситуация имеет место и в случае пи-мезонов. В теории можно рассматривать один пи-мезон, который расщепляется на три наблюдаемых пи-плюс-, пи-ноль- и пи-минус-мезоны — только при включении электромагнитных взаимодействий. Такое же «сокращение» можно провести и для известных ка-мезонов, гиперонов и резонансов.
Благодаря этому адроны с близкими значениями масс, но различными электрическими зарядами удобно группируются и предстают перед нами в более «крупноблочной» классификации: нуклон, пи-мезон, ка-мезон, три типа гиперонов (лямбда, сигма, кси) и так далее. То, что на самом деле каждый из них виден в нескольких состояниях, скажем, сигма-гиперон — в трех, является лишь сравнительно малым эффектом. Действительно, разности масс между различными состояниями частиц по сравнению с величинами самих масс этих частиц-адронов ничтожно малы. Можно считать, что разности масс между нейтральными и заряженными адронами, составляющие не более нескольких процентов от этих масс, как раз и обусловлены электромагнитными взаимодействиями.
Такой взгляд на классификацию частиц не покажется столь уж удивительным, если вспомнить, что аналогичным приемом мы часто пользуемся в повседневной жизни. Нам часто приходится иметь дело с объектами, у которых, как говорится, общее преобладает над различиями. Скажем, два жилых дома, построенных по типовому проекту, могут отличаться окраской панелей и отделкой подъездов, наконец, в одном из них может размещаться магазин, а в другом — нет. Эти отличия очень полезны для ориентации, хотя мы прекрасно понимаем, что перед нами дома-близнецы. И особенно просто почувствовать всю второстепенность указанных отличий, оказавшись вблизи домов-близнецов в незнакомом районе и в позднее время, когда мелкие детали как бы растворяются в темноте…
Электромагнитные взаимодействия, нарушающие полную эквивалентность адронов с близкими значениями массы, но различными зарядами, играют в определенном смысле тоже второстепенную роль.
Анализируя близость свойств протона и нейтрона, В. Гейзенберг высказал идею, что эти частицы должны участвовать в сильных взаимодействиях совершенно симметричным образом, как бы забывая о том, что у одной из них есть электрический заряд, а у другой нет. Впоследствии эта идея была распространена и на все другие адроны и получила название изотопической симметрии. Строгой изотопической симметрии соответствует сохранение особой величины, квантового числа, называемого изотопическим спином.
Но, как мы уже успели убедиться, электромагнитные взаимодействия разрушают эквивалентность в поведении заряженных и нейтральных адронов. Поэтому говорят о нарушении изотопической симметрии в реальном мире и, соответственно, считают, что изотопической спин является лишь приближенно сохраняющимся квантовым числом.
Может возникнуть естественный вопрос: зачем же обсуждать какую-то симметрию законов природы, если она выполняется только в воображаемом мире, а в реальности хоть и сравнительно слабо, но заведомо нарушается?
Этот интересный вопрос затрагивает на самом деле очень глубокие проблемы познания, и он, бесспорно, важен для понимания логики развития физики элементарных частиц, да и любой другой науки.
Физики всегда конструируют воображаемые миры, чтобы глубже постичь закономерности мира реального. Реальность слишком сложна для того, чтобы ее можно было сразу же осознать во всем многообразии. Ученые вынуждены действовать постепенно, шаг за шагом приближаясь к пониманию определенных явлений.
Верно, что в природе нет реального нуклона — это лишь образ, замещающий две частицы (протон и нейтрон), известные нам из эксперимента.
Но ведь в природе нет, скажем, и настоящей окружности в том смысле, как ее понимают геометры. Просто, окружность — это очень полезный и бесконечно привычный образ, с помощью которого мы можем часто с весьма хорошим приближением описывать свойства реальных тел, всегда имеющих хотя бы слабые отклонения от идеальной формы.
