Шаги за горизонт
Шрифт:
Понятие «деление» под напором экспериментальных данных утратило свой смысл.
Это новое положение вещей снова и снова подтверждалось в ходе экспериментов 50-х и 60-х годов; было открыто много новых частиц, короткоживущих и долгоживущих, и на вопрос, из чего они состоят, уже нельзя было дать определенного ответа, потому что сам вопрос тем временем утратил смысл. Протон, например, может состоять из нейтрона и пиона, или из Х-гиперона и каона, или из двух нуклонов и одного антинуклона; всего проще было бы сказать, что протон состоит из материального континуума. Все эти высказывания одинаково истинны или одинаково ложны. Различие между элементарными и сложными частицами в принципе исчезло. В этом, пожалуй, важнейшее экспериментальное достижение последних 15 лет.
В ходе этих событий эксперименты все отчетливее подводили к одной важной аналогии: элементарные частицы есть нечто подобное стационарным состояниям атома или молекулы. Существует целый спектр
Можно сказать, что экспериментальная физика частиц в ходе своего развития за последние годы выполняла те же функции, что спектроскопия в начале 20-х годов. Как тогда возникло большое собрание таблиц, так называемый справочник Пашен — Гётце, отражавший стационарные состояния всех атомных оболочек, так теперь существуют ежегодно уточняемые «Reviews of Particle Properties», где регистрируются стационарные состояния материи и их преобразовательные свойства. Работа по составлению столь объемных таблиц примерно соответствует так называемому прощупыванию неба у астрономов; и каждый наблюдатель, естественно, надеется, что он в своей сфере однажды найдет какой-нибудь очень интересный объект.
Но существуют и характерные различия между физикой атомной оболочки и физикой элементарных частиц. В атомной оболочке мы имеем дело со столь низкими энергиями, что можно пренебречь характерными чертами теории относительности и воспользоваться для описания нерелятивистской квантовой механикой. Это означает, что в физике оболочки, с одной стороны, и в физике частиц — с другой, определяющие группы симметрии могут быть различными. Галилеева группа в физике оболочки заменяется в физике частиц Лоренцовой группой; к ней в физике частиц прибавляются такие новые группы, как изоспиновая группа, которая изоморфна группе SU2, затем группа SU3, калибровочная группа и др. Выявление фундаментальных групп физики частиц — важная экспериментальная задача, и за прошедшее двадцатилетие она в значительной мере уже решена.
Физика атомных оболочек говорит нам, что именно среди групп, описывающих, по-видимому, лишь приближенные симметрии, различаются два принципиально несхожих типа. Возьмем, например, такие группы оптических спектров, как группу Оз пространственных вращений и группу О3 X О3, которая определяет мультиплетную структуру в спектрах. Основные уравнения квантовой механики строго инвариантны по отношению к группе пространственного вращения. Поэтому стационарные состояния атомов с высокими моментами импульса сильно вырождены, то есть имеется много состояний совершенно одинакового энергетического уровня. Лишь при помещении атома во внешнее электромагнитное поле стационарные состояния расщепляются и возникает известная, например, по эффекту Зеемана или Штарка тонкая структура. Это выражение может и не иметь места, если основное состояние системы не инвариантно при вращении, каковы, например, основные состояния кристалла или ферромагнита. В таком случае происходит расщепление энергетических уровней; два направления спина электрона в ферромагните уже не относятся в точности к одному и тому же энергетическому уровню. Кроме того, согласно известной теореме Голдстоуна, существуют бозоны, энергия которых при возрастании длины волны стремится к нулю; в случае ферромагнита им соответствуют спин-волны Блоха, или магноны.
Иное положение с группой О3 Х О3, из которой следуют известные мультиплеты оптического спектра. Тут имеет место приблизительная симметрия, возникающая благодаря тому, что в определенной области спин-орбитальные взаимодействия незначительны, и поэтому можно перевернуть относительно друг друга спины и орбиты электронов, мало что изменив в их взаимодействии. Симметрия О3 Х О3 есть поэтому следствие динамики системы, и ею можно приближенно пользоваться лишь в определенных частях спектра. Эмпирически два этих типа нарушения симметрии всего отчетливее различимы следующим образом: в фундаментальных симметриях, нарушенных основным состоянием, по теореме Голдстоуна, должны существовать бозоны с нулевой массой покоя, или дальнодействующие силы, и их обнаружение дает повод считать, что в данном случае вырождение основного состояния играет важную роль.
Если перенести эти наблюдения из физики атомных оболочек в физику частиц, то эксперименты дают хорошее основание интерпретировать Лоренцову группу и группу SU2, то есть изоспиновую группу, в качестве фундаментальных симметрии основополагающего закона природы. В таком случае электромагнетизм и гравитация оказываются дальнодействующими силами, зависящими от нарушения симметрии основного состояния. Более высокие группы SU3, SU4, SU6 или SU2 X SU2, SU3 X SU3 и т. д. придется тогда считать динамическими симметриями, подобно группе О3 Х О3 в физике оболочки. Относительно расширенной, или калибровочной, группы допустимо сомневаться, следует ли причислить ее к числу фундаментальных симметрии; она нарушается существованием частиц с конечной массой и зависимостью гравитации от массы вещества во вселенной. Пожалуй, ее следует все-таки причислить к фундаментальным симметриям ввиду ее тесной связи с Лоренцовой группой. Намеченное выше разделение нарушения симметрии на два основных типа напрашивается, как я уже сказал, из экспериментальных данных, хотя пока, может быть, и рано говорить об окончательной фиксации этого разделения. Важно, главное, то, что группы симметрии, встречающиеся при наблюдении спектров, заставляют поднять и по возможности решить вопрос о том, к какому из двух основных типов они принадлежат.
Укажем еще на одну особенность физики атомных оболочек: в оптических спектрах существуют некомбинирующиеся или, вернее, слабо комбинирующиеся системы термов, как, например, спектр парагелия и ортогелия. В физике частиц с этой особенностью нужно, наверное, сравнивать распадение спектра фермионов на барионы и лептоны.
Аналогия между стационарными состояниями атома или молекулы и частицами в физике элементарных частиц оказывается, таким образом, почти полной, и тем самым с качественной стороны я тоже уже дал, как мне кажется, полный ответ на исходный вопрос: «Что такое элементарная частица?» Но только с качественной! Перед теоретиком встает затем следующий вопрос, как подкрепить это понимание качественной стороны явлений количественными расчетами. Здесь нужно прежде всего разрешить предварительный вопрос: что это вообще значит — понять тот или иной спектр с количественной стороны?
И классическая физика, и квантовая механика дают нам ряд примеров такого понимания. Представим себе, например, спектр упругих колебаний стальной пластины. Если мы не хотим удовлетвориться качественным пониманием, то мы будем исходить из того, что стальная пластина характеризуется определенными свойствами упругости, поддающимися математическому представлению. Коль скоро это удалось, остается лишь добавить краевые условия, то есть указать дополнительно, имеет ли пластина круглую или квадратную форму, зажата она или нет, и отсюда по крайней мере в принципе можно рассчитать спектр упругих, или акустических, колебаний. Правда, степень сложности задачи едва ли позволит в точности рассчитать все колебания, но по крайней мере колебания низшей частоты с минимальным количеством пучностей вычислить удается.
Итак, для количественного понимания нужны два элемента: математически точно сформулированное знание динамического поведения пластины и краевые условия, которые можно считать «контингентными», то есть определяющимися более конкретными обстоятельствами данного случая; в самом деле, стальная пластина могла бы быть вырезана и иначе. То же самое и с электродинамическими колебаниями полого резонатора. Уравнения Максвелла определяют его динамическое поведение, а форма пространственной полости задает краевые условия. Аналогичный случай, далее, — оптический спектр атома железа. Уравнение Шрёдингера для системы, состоящей из одного ядра и 26 электронов, определяет динамическое поведение системы; сюда добавляются еще краевые условия, говорящие в данном случае об обращении волновой функции в нуль на бесконечности. Если бы атом был заключен в тесной коробке, спектр получился бы несколько видоизмененным.