рить  только  в  одном  смысле--в
смысле ее способности принимать участие в различных процессах и  взаимо-
действиях.

   Способы преобразования частиц во время высокоэнергетических  столкно-
вений подчиняются определенным законам, которые могут быть  использованы
для описания мира частиц. В шестидесятые годы, когда было открыто основ-
ное большинство частиц, известных современной науке, многие физики  уде-
ляли внимание, главным образом, изучению и сопоставлению закономерностей
этих преобразований, а не попыткам решить, что же лежит в  основе  таких
динамических паттернов, которые мы называем частицами. Это  было  вполне
естественно, и наука добилась на этом пути больших успехов. Важную  роль
в исследованиях того периода играло понятие  симметрии.  Придав  понятию
геометрической симметрии более общий и абстрактный характер, физики при-
обрели очень ценный критерий для классификации частиц.

   В повседневной жизни самым наглядным примером симметрии является  от-
ражение в зеркале; мы говорим о фигуре, что она симметрична, в том  слу-
чае, если через центр этой фигуры можно провести прямую (рис. 45), кото-
рая разделит ее на две части, являющиеся  зеркальными  отражениями  друг
друга. Более высокий  уровень  симметрии  предусматривает  наличие  нес-
кольких линий, или осей симметрии, как, например, в одном из символичес-
ких изображений, использующихся в буддизме (см. рис. 46).

   Однако отражение- не единственная операция, позволяющая достичь  сим-
метрии. Мы называем симметричной и такую  фигуру,  которая  не  изменяет
своего облика, будучи повернута на определенный угол вокруг. своей  оси.
Симметрия вращения используется, в  частности,  в  знаменитом  китайском
символе Тайцзи, или Великого предела, выражающем идею  объединения  двух
начал-ИНЬ и ЯН (см. рис. 47).

   В физике частиц явления симметрии зачастую связаны не только  с  про-
цессами отражения и вращения, а последние могут происходить не только  в
обычном пространстве (и времени),  но  и  в  абстрактных  математических
пространствах. Симметричными могут быть отдельные частицы или их группы,
а поскольку свойства частиц определяются их способностью участвовать  во
взаимодействиях, или процессах, все операции, позволяющие  достичь  сим-
метрии, связаны здесь с "законами сохранения". Если какой-либо  субатом-
ный процесс характеризуется симметрией, можно с уверенностью утверждать,
что в нем принимает участие некая константа,  или  постоянная  величина.
Константы являются маленькими островками стабильности  в  сложном  танце
субатомной материи и могут помочь нам в описании взаимодействий  частиц.
Некоторые величины остаются константами, или "сохраняются", во всех вза-
имодействиях, некоторые-только в их части. В результате в каждом процес-
се принимает участие определенное количество констант.  Поэтому  симмет-
ричность частиц и их взаимодействий воплощается  в  законах  сохранения.
Физики используют обе эти формулировки, говоря то о симметрии  процесса,
то о соответствующем законе сохранения.

   Существуют четыре основные разновидности законов  сохранения,  предс-
тавляющихся общими для всех процессов. Три из  них  связаны  с  простыми
операциями, позволяющими достичь симметрии в обычном пространстве и вре-
мени. Все взаимодействия частиц характеризуются симметричностью в  отно-
шении пространственных перемещений: в Лондоне они происходят точно таким
же образом, как и в Нью-Йорке. Они обладают симметричностью и в  отноше-
нии перемещений во времени, протекая во вторник точно так же,  как  и  в
четверг. Одна из симметрий связана с сохранением импульса, вторая-с сох-
ранением энергии. Это означает, что суммарная величина импульса,  прини-
мающего участие в каком-либо взаимодействии, а также суммарное количест-
во энергии частиц, включающей их массы, остаются постоянными  до  начала
реакции и после ее завершения.  Третий  основополагающий  тип  симметрии
связан с расположением в пространстве. Смысл этой симметрии  заключается
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-
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 д