Часть 4.

супергравитация следует из теории супер-

струн.

Теория суперструн ярко

продемонстрировала, что масса (и вообще

вещественность) не является существенной

характеристикой материи на ее глубинном

уровне, таковой является способность к

самодвижению, самоорганизации

невещественных объектов, в частности,

квантов суперструнного поля или, еще более

обще, суперструнного вакуума. Элементарные

частицы и их массы возникают как в процессе

самодвижения (самоорганизации) безмассовых

материальных объектов (суперструн), так и

за счет спонтанного нарушения симметрии,

поэтому энергия, связанная с массой,

черпается из энергии натяжения безмассовой

струны в процессе ее самодвижения, а в

конце концов - из энергии суперструнного

вакуума. С утратой важности вещественности

на глубинном структурном уровне организации

материи окончательно закрывается вопрос о

существенности реляционной физической

концепции пространства-времени, как

отображающей порядок расположения

вещественных объектов и их состояний.

Фундаментальным объектом современной

физики следует считать квантованное

суперструнное поле, возбуждениями которого

являются суперструны, взаимодействующие

друг с другом и с вакуумом (возникающие из

него и поглощающиеся в нем). Струны же, в

свою очередь, порождают элементарные

частицы. Таким образом, получается

следующая иерархия: суперструнный вакуум -

суперструны - элементарные частицы. Поэтому

за динамической теорией частиц и суперструн

должна последовать динамика вакуума,

133

описывающая процесс его самоорганизации, -

фундаментальнейшая теория, которая пока еще

не находится в центре внимания физиков. Все

эти теории должны удовлетворять принципу

соответствия. Пространство-время, связанное

с суперструнным вакуумом самим по себе,

можно назвать вакуумным, а на уровне общего

- обобщенно-субстратным или, лучше, квази-

субстанциальным.

На малых расстояниях 10-мерное

суперструнное пространство-время является

плоским. Псевдоевклидовость его определя-

ется тем, что в основном состоянии

суперструны безмассовы и лишь при переходе

в возбужденные состояния появляются массы,

а значит и кривизна пространства-времени.

Что же является материальным носителем 10-

мерного пространства-времени Минковского?

"Возможно, что существует обобщение

принципа эквивалентности ОТО в пространстве

всех струнных конфигураций, приводящее к

геометрическому описанию суперструн"11.

Однако все же суперструны - это кванты

физического поля, а глубинным физическим

носителем плоского 10-мерного пространства-

времени является суперструнный вакуум,

материальная динамическая система, играющая

роль носителя "инерциального" 10-мерного

поля, способного поддерживать динамику

родившихся струн (в этом также можно видеть

физическую экспликацию пространства-

времени). При возбуждениях родившихся струн

плоскостность 10-мерного пространства-вре-

мени теряется, а шесть измерений его

____________________

11 Казаков Д.И. Суперструны, или за

пределами стандартных представлений //

УФН. 1986. Т. 150. С. 574.

134

свертываются. "Можно думать, что

классическое гравитационное поле в этой

теории "складывается из элементарных

возбуждений множества суперструн, а затем

объединяется с плоской метрикой "фонового"

многообразия в метрику искривленного

наблюдаемого мира"12. Поэтому нельзя

считать, что теория суперструн возрождает

субстанциальную концепцию пространства-

времени, пространства-времени самого по

себе, не имеющего материального носителя.

Но самым удивительным предсказанием

Е8 х Е8 - суперструнной теории является

существование так называемой "теневой

материи" (при компактификации шести

измерений группа Е8 х Е8 нарушается до

Е6 х Е8, которая затем расщепляется на Е6

(теория Великого объединения) и Е8

("теневая материя")), подобной той, которую

мы знаем, с аналогичными частицами и

взаимодействиями, находящейся внутри нашего

материального мира, но не перемешивающейся

с ним и практически ненаблюдаемой обычными

средствами. Предсказание существования

второго мира, нашего двойника, слабо

гравитационно связанного с нашим миром,

обогащает представление о едином ма-

териальном мире и заслуживает философского

осмысления. Можно прогнозировать, что этот

двойник связан с единым вакуумом, как

целостным объектом, внутри которого в

виртуальном состоянии находятся все

элементарные фундаментальные объекты и их

____________________

12 Зельдович Я.Б., Грищук Л.П. Тяготение,

общая теория относительности и

альтернативные теории // УФН. 1986.

Т. 149. Вып. 4. С. 700.

135

взаимодействия. Наконец, следует отметить,

что суперструнная теория с ее моделью

релятивистских суперструн, порождает новое

мировоззрение, новую физическую картину

мира, которая может стать полезным

компонентом форм и средств научного

познания мира. Проблема взаимоотношения

между специальной научной моделью и научной

картиной мира как элементом мировоззрения в

плане отношения ее к формам и средствам

познания, обсуждалась Б.Я.Пахомовым13 и

П.С.Дышлевым14.

3. Суперструнная концепция пространства-

времени

Каким же образом теория суперструн

обобщает представления о пространстве-

времени на планковские масштабы расстояний?

В обычной локальной теории квантованных

полей (кроме гравитационного) считается,

что частицы движутся на фоне заданного

плоского 4-мерного пространства-времени, не

оказывая влияние на его структуру. С точки

зрения ОТО, частицы движутся по

геодезическим в искривленном пространстве-

времени, оказывая обратное воздействие на

его геометрию, ибо они испускают

____________________

13 Пахомов Б.Я. Становление современной

физической картины мира. М., 1985.

14 Dyshlevyj P.S. Special Science Model

of the Studied Reality as a Form of

Scientific Cognition (on the Material of

Physics) // 8 Intern. Congr. LMPS-87:

Abstracts. Vol. 4, Pt. 1. Moscow, 1987.

P. 173-175.

136

гравитационные волны (в квантовой теории -

гравитоны), изменяющие кривизну

пространства-времени. Гравитационные

уравнения Эйнштейна позволяют найти не

только траектории движения частиц, но и

структуру пространства-времени, в котором

они движутся. В суперструнной теории

движение суперструны также происходит по

геодезической, которая определяется не

только локальной геометрией пространства-

времени, но и конфигурацией суперструны,

однако теперь это уже будет поверхность

минимальной площади в 10-мерном

пространстве-времени, в котором

укладываются все возможные конфигурации

суперструн. Суперструнное пространство есть

пространство всех возможных конфигураций

суперструн, в то же время оно является

метрическим аспектом квантованного

суперструнного поля.

Суперструнное квантованное поле - новый

вид фундаментальной физической реальности,

открытой суперструнной теорией. Это поле

10-мерно, в отличие от 4-мерного

гравитационного поля, которое оно обобщает.

10-мерное пространство-время и

суперструнное квантованное поле столь же

тесно связаны друг с другом, как 4-мерное

искривленное пространство-время с грави-

тационным полем: суперструнное квантованное

поле также имеет две ипостаси -

геометрическую и физическую. М.Грин

отмечал: "Абстрактное пространство всех

возможных конфигураций струны является

грандиозным развитием идеи обычного про-

странства, а его геометрия, связанная со

струнным полем, - совершенно новым видом

геометрии. Частицу-струну следует пред-

137

ставлять как "волновое" возмущение в этом

огромном пространстве, подобно тому как мы

представляем гравитон в виде волны в

обычном пространстве"15.

В отличие от традиционных представлений,

с точки зрения суперструнной теории вблизи

планковских масштабов расстояний существует

только один вид поля - суперструнное

квантованное поле, с ним и следует связать

новую концепцию пространства-времени,

которую можно назвать суперструнной кон-

цепцией. (Требование физической экспликации

концепций пространства-времени позволяет

классифицировать их по виду материального

носителя пространства- времени).

Реляционное пространство-время,

продвинутое в микромир, определяется как

упорядоченное калибровочным взаимодействием

множества объектов и их состояний. Для его

реализации необходимо множество объектов

(фермионов) и взаимодействий (для

осуществления реляции) между ними

(калибровочных бозонов). Но микрообъекты

точечны, реляционное же пространство-время

должно быть непрерывным. Непрерывность его

достигается учетом существования

физического вакуума. Поэтому реляционная

концепция пространства- времени,

проведенная в микромир, получает смысл

только при учете возможной реляции к

вакууму (в макромире реляция множества

вещественных объектов осуществляется

электромагнитным полем). Однако, фермионы,

калибровочные бозоны и другие частицы можно

рассматривать на фоне искривленного (или

____________________

15 Грин М. Суперструны // В мире науки.

1986. N 11. С. 26.

138

плоского) пространства-времени, связанного

с классическим гравитационным полем (или

его предельным случаем).

Там, где гравитационное поле квантовано

(планковские масштабы расстояний), ситуация

резко меняется. Суперструны (как и частицы)

не образуют непрерывного целого, но

совокупность всех возможных конфигураций

суперструн (даже без учета существования

суперструннного вакуума), в отличие от

совокупности частиц - суть непрерывное

целое. Значит суперструнная концепция

пространства-времени мыслима и сама по

себе, без реляции к вакууму, в отличие от

реляционной концепции, продвинутой в

микромир. Более того, суперструнную

концепцию можно считать обобщением

реляционной концепции пространства-времени,

реляция здесь осуществляется между

неупорядоченным множеством суперструн

(говорить о порядке в расположении

одномерных объектов в общем случае

бессмысленно).

На уровне общего концепцию пространства-

времени, обобщающую реляционную концепцию

на планковские масштабы расстояний, можно

назвать обобщенно-реляционной, ибо реляция

между объектами не упорядочивает их. Смысл

обобщенно-реляционной концепции

пространства-времени состоит в том, что она

представляет собой неупорядоченное

множество связанных взаимодействием

объектов и их состояний. Поскольку точечны

только взаимодействия, то порядок

существует только для них, поэтому

временные отношения здесь в принципе

упорядочены. Значит в обобщенно-реляционной

концепции можно говорить о порядке реляций,

139

а не объектов. Больший акцент на реляции в

обобщенно-реляционной концепции (по

сравнению с реляционной концепцией)

подчеркивает глубинную сущность этой

концепции.

Струнная природа фундаментальных частиц

существенна лишь вблизи планковских

масштабов расстояний. Для обычных масштабов

теория суперструн не отличается от теории

точечных частиц и переходит в ОТО и

калибровочные теории других взаимодействий.

Аналогично, и суперструнная концепция

пространства-времени переходит в

классическую гравитационную и реляционную

концепции.

140

Г.Б.Жданов

ЧAСТИЦЫ, ПОЛЯ И ВСЕЛЕННЫЕ

Введение

В самом начале юбилейного, 30-того тома

широко известного международного журнала по

физике высоких энергий ("ЦЕРН Курьер") была

сделана попытка дать обзор основных событий

в этой науке за истекшее драматическое

десятилетие. При этом, его авторы не

ограничиваются перечнем чисто физических

идей и достижений, но уделяют также

серьезное внимание прогрессу ускорительной

техники, заслугам наиболее выдающихся

ученых и научно-организационным успехам

мирового научного сообщества. Вместе с тем

бросается в глаза практически полное отсут-

ствие сведений о прогрессе в развитии

физической (измерительной) аппаратуры, а

также о развитии интереснейшей, полной

драматизма и загадок области науки,

связывающей физику элементарных частиц и

космологию.

Автор попытается в какой-то мере

восполнить эти недостатки, а также извлечь

в заключении уроки философского плана. При

этом будет вестись и полемика с интересными

взглядами известного теоретика С.Хокинга

(Англия) в его статье "Цель теоретической

физики", опубликованной на рубеже 80-

х годов в том же журнаде "ЦЕРН Курьер".

141

О роли научных лидеров и международного

сотрудничества в физике высоких энергий

В статье из "ЦЕРН Курьера" заслуженно

упоминаются имена корифеев, закончивших

свое земное существование в 80-х гг. ХХ в.,

но зато открывших новую эру в

фундаментальных представлениях о строении

материи. Это - теоретики Х.Юкава (Япония),

П.Дирак (Англия), Л.де Бройль (Франция),

Р.Фейнман (США) и А.Д.Сахаров (СССР),

выдающийся экспериментатор Э.Сегре

(Италия), крупнейшие организаторы науки

Д.Адамс (Англия) и Э.Амальди (Италия). К

этому списку следовало бы добавить такую

исключительно разностороннюю личность, ка-

ким был Я.Б.Зельдович (СССР), заложивший

наравне с Сахаровым целый ряд

основополагающих идей в космологии, тесно

связанных с физикой элементарных частиц и

полей.

На смену ушедшим из жизни корифеям пришли

удостоенные высшей научной награды -

Нобелевской премии по физике - К.Вильсон

(США) за крупные теоретические

исследования, К.Руббиа и С.Ван дер Мейер

(ЦЕРН) за открытие промежуточных бозонов

(Wё и Z0 ), Л.Ледерман (США),

Дж.Штейнбергер и М.Шварц (все США) за

открытие мюонного типа нейтрино и, наконец,

Н.Рамсей и Х.Демельт и В.Пауль за

разработки эффективных методов точных

физических измерений.

Особо отмечается 25-летний юбилей

Международного центра теоретической физики

в Триесте, основанного выдающимся

теоретиком А.Саламом (Пакистан) и крупные

успехи Европейского центра ядерных

142

исследований (ЦЕРН), использующего в

настоящее время средства 14 стран Западной

Европы при активном научном участии также

физиков из СССР, США, Японии и других

стран. Для экспериментальных исследований

большое значение имеет открытая в 1984 г.

подземная лаборатория Grand Sasso (под

Монбланом) на глубине 4 км водного

эквивалента, в работах которой активное

участие принимают советские физики во главе

с Г.Т.Зацепиным.

Характерными чертами современного

международного сотрудничества можно

считать, во-первых, широкое развитие кон-

курсной основы признания крупных проектов,

во-вторых, создание единой мировой сети ЭВМ

с оперативной системой обмена научной

информацией, и наконец, непрерывный

крупномасштабный обмен научными кадрами

(особенно - молодыми) из разных лабораторий

мира. К сожалению, в нашей стране по всем

этим трем линиям все еще имеется

значительное отставание, которое вызвано,

прежде всего, прочно укоренившимися

традициями административно-командного стиля

управления наукой1. События, подобные

созданию в СССР в 1989 г. Центра наук о че-

ловеке и организации конкурсов молодых

ученых, это - лишь предвестники

существенной перестройки.

____________________

1 В связи с этим хотелось бы обратить

внимание на весьма актуальную статью

А.М.Кулькин. Научная деятельность в

административно-бюрократической системе

//Вопр. философии. 1989. N 12.

143

Цель оправдывает средства

Еще в ранних опытах с космическим

излучением (20-е - 30-е гг. нашего века),

особенно после опытов Д.В.Скобельцына в Ле-

нинграде, физикам стало ясно, что

единственным ключом к "раю" принципиально

новых частиц материи может быть наблюдение

процессов с возможно более высокой

концентрацией энергии взаимодействующих

между собой частиц. По-настоящему же

конкурировать с природой, а со временем во

многих отношениях превзойти ее возможности

удалось путем реализации фундаментальных

физико-технических идей, заложенных в

середине 40-х гг. В.И.Векслером в нашей

стране и независимо от него Э.Мак Милланом

в США. Именно они сформулировали основные

принципы как преодоления релятивистского

порога, так и борьбы с потерями в

интенсивности пучков частиц на многоки-

лометровом пути их ускорения в

электрических и магнитных полях. Тогда же

стало ясно, что помимо теоретических

принципов нужны и немалые средства и

специализированные заводы, и инженерные

кадры высокой квалификации, чтобы создавать

все новые и новые поколения ускорительных

машин, оснащенных мощнейшими магнитами,

рекордной вакуумной технологией,

разнообразной электроникой, электронно-

вычислительной техникой и совершенной

измерительной аппаратурой. Неудивительно,

что в лидеры этой гонки вверх по шкале

энергий вырвались именно наиболее развитые

и богатые страны мира - США, наступающее им

"на пятки" ядерное содружество

западноевропейских стран - Европейский

144

центр ядерных исследований (ЦЕРН) и в

известной мере, Япония.

В восьмидесятые годы был достигнут ряд

выдающихся успехов в ускорительной

"технологии". Таковы, например, предло-

женный еще в Новосибирске (Г.И.Будкер) и

независимо от этого в ЦЕРНе (С.Ван дер

Мейер) метод поперечного сжатия (как бы

"охлаждения") пучков ускоряемых частиц с

помощью электронов, все более широкое

внедрение электромагнитов на сверхпроводя-

щей основе, методика ускорения все более

тяжелых атомных ядер (пока вплоть до серы)

и пр.

Особенно важной оказалась идея

предварительного накопления интенсивности

двух независимых пучков частиц с последу-

ющим их встречным столкновением. Она

реализована, в частности, в виде так

называемых пересекающихся накопительных ко-

лец (сокращенно ISR) в ЦЕРНе для протон-

антипротонных взаимодействий (1981 г.), но

еще до этого - для электрон-позитронных

взаимодействий в Новосибирске (линейный

ускоритель ВЭПП) и в Гамбурге (ускоритель

РЕТRА).

Интересно отметить, что остроумное

использование процессов распада заряженных

частиц, пионов и мюонов позволило получить

и короткие во времени (~ 20 нсек) пучки

таких, казалось бы, почти "неуправляемых"

частиц как нейтрино (лаборатория им.

Резерфорда, Англия, 1985 г.). Процессы

взаимодействия других, тоже нейтральных

частиц - фотонов, правда, в виртуальном

виде удается изучать на встречных пучках

электронов и позитронов (ускоритель DESY,

ФРГ).

145

Характерные энергии сталкивающихся частиц

составили десятки миллиардов электроновольт

(ГэВ) для электронов и позитронов, сотни

миллиардов для ядер и тысячи миллиардов

(ТэВ) для протонов и антипротонов. В

отличие от традиционных опытов с

неподвижной мишенью использование

движущихся мишеней в виде встречных пучков

в так называемых коллайдерах позволяет

избавиться от ненужной траты энергии на

отдачу частиц мишени и использовать, в

принципе, всю накопленную энергию Е на

образование новых частиц соответствующей

массы М=Е/с2 (с - скорость света).

Для характеристики масштабов тех затрат,

к которым приходится прибегать при

реализации подобных проектов, упомянем, что

финансирование создаваемого в США к концу

90-х гг. сверхпроводящего суперколлайдера

(SSC) на энергию встречных пучков 2 по 20

ТэВ с размерами (по периметру) 87 км

выливается в сумму около 6 млрд.долларов

(напомним для сравнения, что вся

американская программа полетов человека на

Луну составила 25 млрд.долларов).

В нашей стране (в районе Протвино близ

Серпухова) начато строительство большого

ускорительно-накопительного комплекса (УНК)

с энергиями кольцевых протонных пучков 2 по

3 ТэВ, в сочетании с линейными ускорителями

электронных и позитронных пучков на энергии

2х0,5 ТэВ (в дальнейшем планируется

осуществить встречные столкновения

электронов и протонов тех же энергий).

146

В масштабах ферми-, нано- и мегамира

Х.Юкава был первым, кто пришел к выводу,

что очень малые размеры атомных ядер, ~ 10-

13 см, связаны со столь же малым радиусом

сильных взаимодействий ядерных частиц, а

само это короткодействие обусловлено

сравнительно большой (в сотни раз тяжелее

электрона) массой виртуальных квантов

ядерного силового поля. Впрочем, масштабом

10-13 см научное сообщество решило

увековечить память другого ученого -

крупнейшего итальянского теоретика и

экспериментатора Энрико Ферми. Лежащий в

основе идеи Юкавы принцип неопределенности,

связывающий энергию со временем жизни

виртуальных частиц, а их импульс - с

радиусом действия сил замечателен и тем,

что он позволяет, вообще говоря, избежать

прямых измерений расстояний порядка 1 ферми

(1 ф). Оказывается, что для этих целей

достаточен анализ баланса импульсов

участвующих в реакции частиц.

С другой стороны, разрешения порядка

десятков микрон уже необходимы в

современной измерительной аппаратуре для

четкого разделения следов разных частиц. В

частности, именно микронные разрешения

ядерных фотоэмульсий2 позволяют выполнять

прямые измерения времен распада

нестабильных частиц вплоть до 10-13 сек.

(если известны их энергии и массы, а зна-

чит, и скорости движения).

____________________

2 Впрочем, к 1982 г. точность измерения

координат частиц полупроводниковыми

приборами (полоски кремния) приблизилась

уже к 5 мкм.

147

Наряду с этим для разделения различных

частиц по времени пролета, с целью

"сортировки" их по массам современная

аппаратура должна иметь разрешения во

времени порядка наносекунды (10-9 сек) даже

в опытах с космическими лучами (особенно

для широких атмосферных ливней).

И, наконец, обилие различных каналов

взаимодействия и распада частиц, порой

чрезвычайно редких, но принципиально важных

требует "переваривания" на ЭВМ колоссальных

объемов информации, исчисляемых многими

миллионами дискретных единиц информации

(мегабайты)3, причем скорость их обработки

достигает 100 мегабайт в секунду. В

качестве одного из характерных примеров

можно привести серию десятилетних иссле-

дований (в ЦЕРНе) процессов упругого

рассеяния нейтрино на электронах, когда

2000 подобного типа событий было выделено

на фоне 900 млн. взаимодействий тех же

нейтрино с атомными ядрами атомов вещества.

Для успешной ориентировки во всем этом

удивительном мире масштабов длины, времени

и информации порядка ферми (1 ф), нано-

секунды (1 нс) и мегабайта (1 Мб)

совершенно необходимо также уметь разделять

частицы по их природе (в том числе -

непосредственно не регистрируемые

нейтральные частицы) и измерять с

достаточно высокой точностью (как правило,

доли %) их импульсы.

Из числа бесспорных достижений в области

измерительной аппаратуры последнего

десятилетия можно упомянуть так называемый

____________________

3 Каждый байт есть выбор числа в двоичной

системе (0 или 1).

148

"кристаллический бочонок" (crystal Barrel),

сконструированный усилиями 9 лабораторий

ЦЕРНа и "умеющий" измерять характеристики

всех заряженных и нейтральных мезонов -

продуктов протон-антипротонной аннигиляции

в жидком водороде. Пожалуй, еще более

впечатляющим будет изготовление в Садбари

близ Онтарио (Канада) уникального детектора

солнечных нейтрино (стоимостью 50

млн.долларов). Этот детектор будет на-

ходиться в никелевой шахте на глубине 2000

м под землей, в основе своей иметь 1000-

тонный контейнер с тяжелой водой, и в нем

ожидается регистрация 10 000 взаимодействий

нейтрино в год.

Было бы ошибкой считать, что

многомиллионные затраты на ускорительные

машины и уникальную физическую аппаратуру

это - только плата за человеческое

любопытство в познании глубин строения

материи. Как было показано на многих

выставках и конференциях, организованных в

странах Запада, они дали и косвенный

"технологический" выход в развитие

передовой сверхпроводящей, вакуумной,

электронной и электронно- вычислительной

техники в целом.

Уникальные возможности использования

мюонных пучков для физико-химических

исследований структуры твердых тел,

основанные на явлении их деполяризации,

были реализованы во многих лабораториях

мира. Разнообразны применения "отходов

производства" на электронных ускорителях

(синхротронах) в виде пучков так

называемого синхротронного излучения с

очень широким спектром, начиная от

рентгеновских лучей и вплоть до

149

инфракрасного света. Ощутимое влияние на

технический прогресс имеет широкое

применение разнообразных новых материалов,

разработанных первоначально для нужд

ускорительной техники, в том числе -

сверхпроводящих материалов для генерации,

накопления и передачи электроэнергии.

Отметим также, что на 1986 г. в мире

работало около 2 500 линейных ускорителей

частиц, и из них лишь менее 1% обслуживало

исследования по физике частиц. Особенно

большое значение имеет использование

ускоренных пучков частиц (протонов, пионов

и позитронов) в медицине для исследования и

лечения разнообразных органов и опухолей.

Загадка удержания кварков и проблема кварк-

глюонной плазмы

Еще четверть века тому назад (1964 г.)

известными теоретиками М.Гелл-Манном и

Г.Цвейгом (США) была предложена очень

плодотворная идея о кварках, как основных

структурных элементах всех сильно

взаимодействующих частиц (адронов), как

относительно стабильных, так и столь

"эфемерных" как резонансы, т.е. структурные

образования со временем жизни того же

порядка, что и время обмена квантами

силового поля.

В частности, протон состоит из 3-х

кварков с зарядами - 2/3e 4 для 2-х u-

кварков (тип "up") и - 1/3 для одного d-

кварка (тип "dawn"), а пион p+, p- - из

кварка u и античастицы кварка d.

____________________

4 e - заряд электрона.

150

Взаимодействия между кварками, согласно

созданной в 1973 г. теории - квантовой

хромодинамике, переносятся особыми части-

цами - глюонами, причем в отличие от

электрического поля величина,

характеризующая интенсивность

взаимодействия, в данном случае ослабевает

с уменьшением расстояния между кварками

(так называемая "асимптотическая свобода").

Существенным свойством глюонов является

то, что они являются одновременно и

носителями и источниками сил взаимо-

действия, отсюда и многочисленные попытки

обнаружения чисто глюонных (так называемые

"глюболы") по составу частиц. Таковы, в

частности, кандидаты в глюболы с массами

1,6 и 1,8 ГэВ (они получили "маркировку"

как G- и X-частицы), обнаруженные на

ускорителе У-70 в Протвино в совместных

исследованиях физиков ИТЭФ и ЦЕРН.

Спустя несколько лет (1967-1968 гг.)

субэлементарные квазиточечные составляющие

протона (так называемые партоны) были

обнаружены в опытах по так называемому

глубоко неупругому рассеянию электронов,

которые "удобны" тем, что сами по себе

являются квазиточечными частицами.

Кварковая гипотеза при всей

"экстравагантности" идеи о дробном

электрическом заряде кварков смогла

блестяще объяснить многочисленные сим-

метричные (по зарядам и спинам) семейства

адронов, близких по массам, но при этом

поставила во весь рост проблему прямого

экспериментального наблюдения самих

кварков.

В восьмидесятые годы эту трудность

пытались обойти двумя способами. С одной

151

стороны, удалось осуществить (ЦЕРН, 1981)

косвенные наблюдения кварков по продуктам

их превращений - так называемым струям.

Такие струи, т.е. узко направленные группы

частиц связаны с превращением одного кварка

в несколько частиц с обычным, целочисленным

электрическим зарядом в момент их выбивания

из адрона. С другой стороны, развивались

чисто теоретические модели, объясняющие

удержание кварков в пределах адрона и

невозможность их вылета в свободном виде. В

частности, это была модель своего рода

вакуумных "мешков" с "кварконепробиваемыми"

стенками. Другую возможность открывает

модель струн, связывающих кварки с их

"партнерами" - антикварками и разрывающихся

при расхождении кварка и антикварка на

слишком большие (более одного ферми)

расстояния. Принципиальная новизна модели

струн состоит в том, что она впервые вводит

в качестве структурного элемента материи не

точечные, а линейные (одномерные) объекты.

Плодотворность этой модели подтверждается

на эксперименте тем, в частности, что она

естественным образом объясняет ступенчатый

("лестничный") характер энергетических

спектров (в логарифмическом масштабе) при

множественном рождении сильно

взаимодействующих частиц.

Кроме того возникла очень заманчивая

модель фазового перехода адронного

состояния материи в состояние квазисвобод-

ных кварков и глюонов, аналогичное

электронно-ионной плазме и получившее

152

название кварк-глюонной плазмы5. Для

экспериментального осуществления такого

фазового перехода надо иметь исключительно

высокие температуры, порядка триллиона

градусов. Именно такие условия вполне могли

осуществиться на самых ранних стадиях (в

первые микросекунды) развития расширяющейся

Вселенной в концепции Большого взрыва.

Чтобы не обращаться к столь далеким

временам, возникает идея получения хотя бы

на очень короткое время аналогичной

"взрывной" ситуации и сейчас, путем

столкновения частиц (особенно атомных ядер)

достаточно высоких энергий. Отдельные

попытки наблюдения подобных явлений

выполнены с помощью стратосферных установок

(рентгенэмульсионных камер) при регистрации

космических лучей. В частности, это

делалось в работах группы Н.А.Добротина

(ФИАН) и в большом японо-американском (с

участием Польши) эмульсионном эксперименте

(IACEE). Однако истолкование получаемых

результатов осталось пока неоднозначным и

недостаточно убедительным.

Более серьезные попытки делались в те же

годы на ускорителе ЦЕРНа с пучками ядер

кислорода и серы, ускоренных, правда, до

несколько меньших энергий (порядка 108 эВ

на ядро). Были замечены аномалии в рождении

частиц, имеющих в своем составе не обычные,

а более тяжелые - так называемые "странные"

или "очарованные" кварки. Эти аномалии

можно при желании приписать возникновению

____________________

5 Это понятие ввел в обиход физиков

советский ученый Э.В.Щуряк в конце 70-х

годов.

153

кварк-глюонной плазмы, но опять-таки вопрос

остается спорным.

Большие надежды в этих поисках нового

состояния материи возлагаются на будущий

ускоритель встречных пучков релятивистских

ионов (PHIC), запланированный к запуску в

США примерно к 1997 г. (проектирование

начато в 1987 г.). На этом ускорителе

предполагается "разгонять" ядра тяжелых

атомов вплоть до золота и особое внимание

уделять их центральным (с точностью до 1ф)

столкновениям, когда вероятность разогрева

кварковой материи особенно велика.

Нарушение симметрии и единство сил природы

Казалось бы, что может быть общего между

электромагнитными взаимодействиями,

определяющими собой структуру атомов в

масштабах порядка 10-8 см, и едва

уловимыми, ничтожно слабыми

взаимодействиями с веществом таких частиц,

как нейтрино от атомных реакторов с

характерным радиусом взаимодействий с

атомными ядрами не более 10-17 см. И тем не

менее, еще в 70-х гг. известные теоретики

С.Вайнберг, А.Салам и Ш.Глэшоу6 обратили

внимание на то, что быстрый рост сечения

слабых взаимодействий с энергией нейтрино

позволяет предсказать наличие "родственных

связей" между дальнодействующими носителями

электромагнитных взаимодействий (фотонами)

и возможными короткодействующими

переносчиками слабых взаимодействий,

____________________

6 За эти работы им была присуждена

Нобелевская премия в 1979 г.

154

получившими название промежуточных бозонов.

Дело в том, что при достаточно высоких

энергиях, когда сечения слабых и

электромагнитных процессов становятся

сравнимыми по величине, фотоны и

промежуточные бозоны могут стать рав-

ноправными членами одного и того же

семейства частиц. Их отличия (в данном

случае непринципиальные) будут состоять в

том, что фотоны бывают только одного типа и

лишены массы покоя, а промежуточные бозоны

могут быть трех разновидностей (2

заряженных, обозначаемых W+, W-- бозон, и

одна нейтральная Z0-бозон), при этом их

массы почти в 100 раз должны превышать

массу протона.

Необходимым условием такого "расслоения"

электрослабого поля является нарушение

симметрии его состояний при охлаждении за

счет взаимодействия с гипотетическим

скалярным полем Хиггса. Поиск квантов этого

поля, возможно, очень тяжелых является

одним из важнейших пунктов программы

ускорителей следующего поколения.

Кстати, сама нестабильность многих

адронов, в отличие от резнонансных

состояний сильного взаимодействия, связана

с превращением более тяжелых входящих в их

состав кварков в более легкие в результате

слабых взаимодействий. Именно поэтому

нестабильность таких частиц, как гипероны,

К-мезоны и др. весьма условна: по масштабам

длительности сильных взаимодействий (10-23

сек) они живут очень долго (10-10-10-13

сек), а по масштабам привычного нам

макромира "умирают" настолько быстро, что

"изготовить" из них пучки для экспериментов

далеко не просто, хотя и возможно.

155

Для экспериментальной проверки гипотезы

электрослабых сил возникла сложнейшая

задача создания нового поколения ус-

корителей, резко отличающихся от всех

предыдущих как энергией, так и

интенсивностью потоков ускоряемых частиц.

Понадобились огромный энтузиазм и

изобретательность большого коллектива

физиков и инженеров ЦЕРНа во главе с

К.Руббиа и С.Ван дер Мейером, чтобы,

наконец, в 1983 г. надежно обнаружить

сначала W+, а затем и Z0 - бозон, массы

которых лишь незначительно отличались от

предсказанных теорией.

Резкое повышение интереса к нейтрино как

частицам, олицетворяющим слабое, но быстро

растущее с энергией взаимодействие,

проявилось и в физике космических лучей.

Уже ряд лет ведутся в США и СССР

подготовительные работы по созданию

гигантских установок площадью свыше гектара

каждая для регистрации нейтрино с энергиями

не менее 1014 эВ на больших глубинах (океан

или озеро Байкал), где отсутствует фон

других частиц. Этот проект получил условное

название DUMAND -абревиатура термина

"глубоко подземные мюонные и нейтринные де-

текторы". Цель такого эксперимента -

"нащупать" уникальные астрофизические

объекты - естественные ускорители частиц

сверхвысоких энергий, от которых могут

доходить и другие, еще неизвестные

нейтральные частицы.

Блестящее, удостоенное вскоре Нобелевской

премии, открытие тяжелых квантов

электрослабого взаимодействия оказало ог-

ромное стимулирующее влияние на дальнейшие,

еще более смелые поиски путей объединения

156

физических сил природы. Одно из таких

направлений получило название "Великого

объединения". Речь идет о том, чтобы на

этот раз объединить в рамках единой

первичной симметрии все три типа

взаимодействий, включая сильные. К

сожалению, "исходная" симметрия трех полей

должна нарушаться лишь при энергиях порядка

1024 электроновольт, т.е. на 4 порядка выше

наблюдаемого верхнего предела энергий

космических лучей и далеко за пределами

возможностей всех мыслимых на сегодня

ускорителей.

И тем не менее предлагаемые (хотя и не

единственно возможные) принципы Великого

объединения можно проверять на опыте уже

сейчас. Дело в том, что универсальный

характер всех взаимодействий ведет к

возможности, хотя и крайне маловероятной,

распада протонов (свободных и

внутриядерных) на более легкие частицы.

Такая возможность проверялась в нескольких

лабораториях мира, а особенно тщательно и,

казалось, небезуспешно (начиная с 1982 г.)

в очень глубокой лаборатории индийской

золотой шахты Колар голд филдс (KGF). К

сожалению, все наблюдавшиеся за несколько

лет исследований события, имитирующие

распады протонов по разным каналам, можно,

в конечном итоге, объяснить теми или иными

фоновыми явлениями. Определенную ценность

представляет лишь полученный в итоге всех

исследований нижний предел времени жизни

протона, порядка 1031 лет (это означает,

например, что на каждые 100 кг вещества

может происходить распад только одного

протона в столетие).

157

Известные возможности экспериментальной

проверки дают и совсем иного рода

теоретические соображения, связанные с так

называемой суперсимметрией частиц (кратко

обозначаемой как модели SUSY). Речь идет

здесь о математической модели универсальной

симметрии между частицами с целым и

полуцелым механическим моментом - спином.

Такая модель привлекательна уже тем, что

она обещает устранить пока еще

непреодолимую разницу между "настоящими"

частицами с их полуцелыми (в единицах

постоянной Планка h/2p ) спинами и квантами

силовых полей с их целочисленными спинами.

В итоге появились гипотезы о возможных

частицах типа фотино ("партнер" фотона с

полуцелым спином), глюино (наряду с

глюоном) и пр. И массы и возможные каналы

реакций всех этих частиц могут сильно

отличаться от соответствующих суперсим-

метричных "партнеров". Особенно заманчиво

искать нейтральные частицы (в частности,

фотино), которые могут приходить на Землю

от уникальных по своей мощности источников

космических лучей, в частности, от Лебедь-

Х-З7 и проявляться, например, в избыточных

потоках заведомо вторичных, нестабильных

частиц, особенно, - мюонов (такого рода

указание в печати было опубликовано в 1985

г., хотя и не подтвердилось впоследствии).

Особое направление исследований

взаимосвязи разных взаимодействий и частиц

представляют поиски осцилляций нейтрино

____________________

7 Х-3 - рентгеновский источник в созвездии

Лебедь, обнаружен в 1961 г. и состоит из

двух близко расположенных звезд с

периодом обращения всего 4,8 часа.

158

между тремя разновидностями нейтрино,

связанными с электроном, мюоном и тау-

мезоном (так называемые, ne-,nm и nS-

частицы). Сама возможность таких осцилляций

(т.е. периодических спонтанных превращений

в веществе и даже в вакууме!) тесно связана

с возможным наличием пусть очень небольшой,

но конечной массы нейтрино. Большой интерес

научной общественности в начале 80-х гг.

вызвало сообщение московской группы из ИТЭФ

(В.А.Любимов и др.) об оценке массы элек-

тронного нейтрино в пределах 14-46

электроновольт, однако этот результат был

подвергнут сомнению в последующих

исследованиях других лабораторий мира.

Кстати, если бы масса нейтрино была порядка

30 эВ, это привело бы к тому, что именно в

этих частицах заключена основная масса

Вселенной. Поэтому очень важно учесть и

более поздние результаты, в частности,

полученную в Цюрихе (1986 г.) оценку 18 эВ

как верхний предел массы того же нейтрино.

Проблема возможных осцилляций нейтрино

связана еще и с загадочным "дефицитом"

потока нейтрино от Солнца, обнаруженным в

ходе многолетних исследований Р.Дэвиса

(США). Правда, на эту тему существуют и

другие соображения, о которых пойдет речь

ниже.

Если вернуться к идеям Великого

Объединения, то нельзя не упомянуть и о

дальнейших теоретических (пока не связанных

с экспериментом) разработках моделей так

называемой супергравитации, в которых

предполагается исходная симметрия всех 4-х

сил природы, включая гравитацию с

характерным для нее переносчиком

взаимодействий - гравитоном. В данном

159

случае нарушение исходной симметрии должно

происходить при энергиях порядка 1028

электроновольт, а в современной, уже сильно

остывшей и разреженной Вселенной гравитация

в мире элементарных частиц столь слаба,

что, например, вырывание одного электрона

из атома электромагнитными силами требует в

10000 раз больше энергии, чем его заброс на

Луну с преодолением сил земного притяжения.

Если же говорить о способах

экспериментальной проверки теоретических

моделей супергравитации, то единственно

возможным остается использование того

уникального природного ускорителя (не

связанного притом с каким-либо финансовым

ограничением!), который, судя по косвенным

данным, "работал" на самой ранней стадии

формирования нашей Вселенной, в течение

ничтожно короткого промежутка времени

порядка 10-43 сек.

Темные "углы" небосвода и лабиринты

виртуальных Вселенных

Гравитационные взаимодействия, которые

издавна казались важными только для

макромира, сравнительно недавно вклинились

и в сферу интересов физики элементарных

частиц. Проблема началась с парадокса: как

показали точные астрономические наблюдения,

скорости вращения ряда звездных галактик, в

том числе и нашей, резко не соответствуют

сосредоточенной в них массе звездного и

межзвездного вещества. Последовал вывод о

том, что не менее 90% всей материи по

каким-то причинам начисто ускользает от

прямого наблюдения, и дело здесь совсем не

160

связано, скажем, с темными участками

Млечного пути, в которых громадные пылевые

облака поглощают значительную часть света

расположенных за ними светил.

В итоге возникла гипотеза о том, что

основная масса галактической материи

заключена в какой-то материи, недоступной

воздействию электромагнитных волн. Расчеты

показали, что восстановить баланс за счет

энергии различных типов нейтрино не-

возможно. И тогда возникла новая гипотеза о

так называемых "вимпах" (WIMP - абревиатура

английского термина "слабо вза-

имодействующая массивная частица"). В

отличие от макрочастиц межзвездной пыли это

могут быть элементарные частицы, которые

практически не взаимодействуют с

электромагнитными волнами именно вследствие

своей относительно большой массы.

Одно время казалось, что вимпы могли бы

помочь и в разгадке тайны трехкратного, по

сравнению с теоретически ожидаемым потоком,

дефицита солнечных нейтрино в опытах

Дэвиса, поскольку их присутствие в недрах

Солнца существенно нарушило бы

теоретический вывод о соотношении между

общей массой, внутренней температурой и

наружной светимостью Солнца. Правда, анализ

длительных наблюдений за потоками солнечных

нейтрино постепенно выявил довольно четкую,

хотя и непонятную пока корреляцию между

интенсивностью этих потоков и уровнем

солнечной активности, который, как

известно, испытывает весьма ощутимые

квазипериодические колебания с периодом 11

лет. Если не подвергать сомнениям такого

рода корреляцию, то окажется, что постоянно

действующие факторы в виде вимпов, не имеют

161

отношения к загадке нейтринного дефицита в

его многолетнем среднем значении.

И тем не менее гипотеза о вимпах, в

частности, как о массивных положительно

заряженных частицах оказалась в какой-то

мере доступной для экспериментальной

проверки. В лаборатории имени Э.Резерфорда

(Англия) был задуман и начат оригинальный

эксперимент по масс-спектроскопическому

анализу больших количеств воды, сильно

обогащенной тяжелой водой D2О. Идея состоит

в том, что за все время "обстрела" земного

вещества космическими лучами в ней

постепенно могут накапливаться молекулы

типа НХО, где Х - таинственный положительно

заряженный вимп. Возможная чувствительность

такого опыта характеризуется относительной

концентрацией молекул НХО в воде порядка

10-17.

Еще более интересный путь объединения

физики элементарных частиц и полей с

космологией наметился в 1981-1982 гг. в

связи с идеями так называемого

"инфляционного", самоподдерживающегося

разогрева Вселенной на начальной

("доисторической") стадии ее развития. Весь

"исторический", т.е. сопоставляемый с

экспериментом по реликтовому излучению

период отсчитывался от момента Большого

взрыва, и вопрос о том, "что было, когда

ничего еще не было?" казался бессмысленным,

поскольку время и пространство это - формы

существования материи, а тогда отсутствие

материи означает и отсутствие времени.

Однако чем дальше тем больше становилось

очевидным, что понятие материи физикам

совершенно необходимо распространить и на

вакуум (вспомним, хотя бы о вакуумных

162

"мешках", удерживающих кварки "в рамках"

адронов). Удивительной особенностью вакуума

оказывается в целом ряде теоретических мо-

делей его "умение дышать",

самовозбуждаться, флуктуировать. При этом,

как было показано, в частности, в работах

фиановской школы (в лице А.Д.Линде) в

специальном случае скалярных полей вакуум

оказывает как бы отрицательное давление на

возникающие в вакууме виртуальные

образования. Как следует из термодинамики,

отрицательное давление приводит уже не к

охлаждению, как у обычного газа при его

расширении в пустоту, а наоборот, к очень

быстрому (за 10-30 сек) и резкому разогреву

материи (такой процесс и получил

специальное название "инфляционного"). Так

можно объяснить и само возникновение

Большого взрыва нашей Вселенной и вполне

естественным образом возможность

хаотичного, нерегулярного возникновения

других, сколь угодно разнообразных по своим

свойствам Вселенных, со специфическим для

каждой из них набором основных физических

симметрий. Заслуживают серьезного внимания

также "сценарии" формирования исходно

многомерного (10 измерений) пространства,

которое быстро "сворачивается" (как говорят

"компактифицируется") в обычное 4-мерное

пространство и время.

Лишь ничтожно редкие "вариации на тему о

Вселенной" могут быть хоть как-то похожи на

наш мир - в том числе и по условиям,

обеспечивающим возникновение биологической

жизни вообще и разумной жизни особенно.

Более того, как было показано, в частности,

в серии работ И.Л.Розенталя (ИКИ) для этой

цели необходимо иметь исключительное,

163

крайне редкое сочетание физических

констант. Но зато, если все эти рассуждения

верны, отпадут и основания удивляться тому,

как можно было бы в одном, уникальном

случае именно нашей Вселенной заранее

"запланировать" тот набор физических

параметров, который позволяет доводить

развитие материи до уровня, определяющего

ее способность к самопознанию. В этом и

заключается разгадка парадокса с так

называемым "антропным принципом": "мир

оказывается таким, как он есть именно

потому, что мы в нем живем".

Отметим здесь еще один любопытный

"мостик", связывающий космологию,

астрофизику и теорию тяготения с ядерной

физикой. Речь идет о наблюдениях над

развитием взрыва Сверхновой звезды в

Большом Магеллановом облаке. Впервые в

истории науки в феврале 1987 г. в ряде

лабораторий мира удалось наблюдать потоки

нейтрино в самом начале, в первые секунды

взрыва9 (еще до того, как он стал заметен в

оптических телескопах) и при этом измерить

его температуру (50 млрд.градусов).

Впоследствии, уже на космических аппаратах

наблюдались и характерные линии гамма-

излучения, свидетельствующие о мощных

процессах нуклеосинтеза в недрах бывшего

голубого гиганта с постоянным образованием

все более тяжелых элементов вплоть до

железа.

Особый интерес к наблюдениям за этой

Сверхновой связан еще и с проблемой

____________________

9 К сожалению, полного согласия между

данными разных лабораторий достичь не

удалось.

164

обнаружения гравитационных волн, вызванных

резким коллапсом большой массы звезды. В

течение ряда лет ведутся испытания

сверхчувствительных гравитационных антенн,

способных, в принципе, зарегистрировать

столь ничтожный эффект гравитационной волны

как изменение длины антенны на 10-16%.

Какие-то сигналы на гравитационных антеннах

в Италии и США в период взрыва

действительно принимались, но никакой

гарантии в правильной их интерпретации нет,

тем более, что при удалении на 160 тыс.

световых лет (во времени и пространстве)

возникшая гравитационная волна, судя по

расчетам, не дала бы достаточного для ее

обнаружения эффекта. Более убедительны были

бы точно совпадающие во времени сигналы, по

крайней мере, на трех антеннах в разных

концах планеты, но таковых пока не

наблюдалось.

Заключение

Основанные на предыдущем изложении

выводы, необходимые для философского

осмысливания достижений современного

естествознания, можно кратко представить

следующим образом.

Во-первых, крупнейшие достижения физики

частиц и полей оказались возможными лишь

благодаря непрерывно растущему (в

количественном и качественном плане)

технологическому уровню мировой цивилизации

и вовлечению в эту деятельность все более

широкого круга стран на основе оперативного

международного обмена информацией и

научными кадрами. Важно и то, что эта

165

деятельность, изначально преследуя чисто

познавательные цели, характерные для

фундаментальной науки, начинает давать все

более разнообразную обратную "отдачу" для

технологического прогресса.

Во-вторых, для основных направлений

развития этой области науки характерны

поиски все более общих законов симметрии,

позволяющих обнаружить единство сил

взаимодействия частиц, казавшихся прежде

принципиально разнокачественными.

В-третьих, история с созданием теории

электрослабых взаимодействий и открытием

промежуточных бозонов дает неплохую

иллюстрацию к образному высказыванию

Нобелевского лауреата Т.Д.Ли о двух

законах, которым, как правило, подчиняются

все физики: "1) без экспериментаторов

теоретики пассивно дрейфуют, 2) без

теоретиков экспериментаторы спотыкаются".

Далее, наряду с общей тенденцией к

доказательству единства природы на основе

принципов симметрии просматривается и

другая, в известной степени противоположная

тенденция к выявлению многообразия ее

проявлений. Это касается не только поисков

все более разнообразных и неожиданных типов

симметрий (вспомним, в частности, о

суперсимметриях частиц), но и поиска новых

состояний материи (кварк-глюонная плазма!)

и новых типов частиц - новых разновидностей

(поколений) кварков и нейтрино, новых

массивных частиц ("темная материя" Вселен-

ной).

Наконец, весьма перспективными оказались

исследования в области, пограничной между

физикой частиц и полей, с одной стороны,

астрофизикой и космологией, с другой, в

166

частности, создание теоретических моделей

возникновения множественных Вселенных из

флуктуаций вакуума, с учетом термодинамики

инфляционных процессов, своего рода

"вычерпывания" энергии из вакуума.

В заключение коснемся извечного вопроса о

возможном конце развития науки, в

частности, теоретической физики. В своей

очень содержательной лекции на эту тему еще

в 1977 г. известный английский теоретик

С.Хокинг упоминает, как уже дважды в

истории физики (в начале ХХ в. и в 20-х

гг.) такого рода предсказания уже

объявлялись крупными учеными, и однажды

(как это высказал в свое время М.Борн) даже

с конкретными сроками в 6 месяцев! И тот же

Хокинг отнюдь не исключает возможности

того, что уже к концу нашего века может

быть создана "полная, самосогласованная и

единая теория физических взаимодействий,

которая смогла бы описать все возможные на-

блюдения". Он пытается обосновать эту точку

зрения успехами, достигнутыми путем

сочетания идей и выводов физики частиц,

общей теории относительности и

термодинамики. Но, увы, (а скорее, к

счастью), история развития науки за

истекшие 17 лет дает большие основания в

ней серьезно сомневаться и настаивать на

бесконечном, хотя и дискретном в наиболее

существенных его чертах процессе познания

человеком окружающего мира.

Автор благодарит профессора Н.А.Добротина

за обстоятельное и плодотворное обсуждение

данного обзора.

167

С.В.Илларионов, Е.А.Мамчур

ПРИНЦИПЫ СИММЕТРИИ В ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТAРНЫХ

ЧAСТИЦ

Сфера применения теоретико-групповых

методов в физике микромира является

исключительно широкой. Структура и сим-

метрия атомных и волновых функций, молекул,

электронная структура кристаллов - вот

далеко не полный перечень явлений

микромира, при изучении которых

использовались методы теории групп. Широкая

экспансия этих методов в конце 20-х, начале

30-х годов получила даже у физиков шутливое

название "групповой чумы". Однако нас, в

силу специфической направленности работы,

будет интересовать лишь одна область

применения теоретико-групповых методов - их

использование для изучения фундаментальных

объектов микромира - элементарных частиц.

Прежде чем охарактеризовать ту

специфическую роль, которую принципы

симметрии играют в физике элементарных ча-

стиц, охарактеризуем хотя бы кратко их роль

и функцию в физике вообще.

Известно, какое место занимает теоретико-

групповой подход в физическом познании.

Возникнув в математике (геометрия, теория

чисел, теория алгебраических уравнений), он

начал использоваться в физике. Вначале

главной областью его применения была

кристаллография. Окончательно утвердился он

в физике в процессе становления СТО. После

установления релятивистской физики стало

168

очевидным - обстоятельство до сего времени

не осознававшееся в явной форме - что все

фундаментальные физические теории строятся

на величинах и соотношениях, инвариантных

относительно некоторых групп

преобразований.

Геометрические и динамические принципы

симметрии

Все известные принципы симметрии,

различающиеся между собой степенью

точности, уровнем общности, характером

изменений группы, согласно Вигнеру,

разделяются на два больших класса -

геометрические и динамические.

Геометрические формулируются в терминах

самих явлений, устанавливая независимость

событий от выбора системы отсчета при

соответствующих данной группе

преобразованиях. Исходными в этих

симметриях являются преобразования

пространства и времени. Несомненно, что

соответствующей инвариантностью должны

обладать и законы, которым подчиняются

явления и которые, помимо пространственных

и временных переменных, включают и

динамические переменные. И, следовательно,

геометрические принципы инвариантности

включают также преобразования динамических

переменных. Но исходным является

инвариантность событий относительно

преобразований пространства и времени. Это

обстоятельство определяет внешний характер

геометрических принципов по отношению к

законам данной теории.

169

Геометрические принципы связаны с

известными законами сохранения - энергии,

момента количества движения, импульса,

которые являются точными, и с законом

сохранения четности, который имеет

приближенный характер.

Геометрические принципы носят

универсальный характер. Динамические

принципы не обладают им. Они формулируются

в терминах законов природы и относятся к

определенным типам взаимодействий, поэтому

каждое из известных взаимодействий обладает

своей собственной симметрией. С этими

принципами также связаны законы сохранения.

Но эти законы относятся не к переменным

измеряемым физическим характеристикам, но к

параметрам, характеризующим взаимодействие,

которое обычно называют в некотором

обобщенном смысле зарядом. В связи с этим

динамические симметрии являются

внутренними.

Как мы увидим далее, вигнеровская

классификация принципов симметрии

приобретает существенно новые черты в

современной физике частиц.

Функции принципов симметрии в физическом

познании

Принципы симметрии выполняют в физическом

познании следующие основные функции.

а) организующая

В известном смысле задача, которую решает

физик-теоретик при построении теории,

170

аналогична той, которую решает геометр:

дано многообразие, требуется найти группу

преобразований, относительно которой

инварианты уравнения теории. Какие бы

возражения не выдвигались против программы

эрлангизации физики, два момента, связанные

с ней представляются бесспорными: а)

структура физической теории носит

теоретико-групповой характер; б) основные

этапы развития физического знания, каждый

из которых представляет собой

фундаментальную теорию, могут быть связаны

с теоретико-групповым расширением.

Последнее очевидно, по крайней мере, для

такой цепочки теорий: классическая механика

- специальная теория относительности -

общая теория относительности. Эти теории

инварианты относительно групп

преобразований пространственно-временных

переменных. Классическая механика является

теорией инвариантов относительно

преобразований галилей-ньютоновой группы. В

основе СТО лежит группа Пуанкаре. Введение

группы Пуанкаре явилось групповым

расширением в следующем смысле: группа

Пуанкаре в пределе, при с + + переходит в

галилей-ньютонову группу. Группа Пуанкаре

рассматривается как некоторая невырожденная

структура, имеющая в качестве своего

"вырожденного" аналога галилей-ньютонову

группу, и переход от этой последней к

группе Пуанкаре трактуется как

"антисжатие". В основе ОТО лежит группа

произвольных непрерывных преобразований,

переход к которой (с известным

приближением) может также трактоваться как

расширение группы Пуанкаре.

171

Однако с точки зрения задачи

реконструкции кумулятивного аспекта

развития физического знания

пространственно-временной вариант

эрлангизации физики является ограниченным.

В его рамках переход, например, от

классической механики к статистической

физике и термодинамике (также как и переход

от классической механики к квантовой) не

связан с групповым расширением. В основе

этих теорий лежит одна и та же группа, хотя

совершенно очевидно, что эти переходы

сопровождались ростом знания. В связи с

этим были сделаны шаги к поискам другой

основы для теоретической реконструкции

роста знания, которая позволила бы более

точно учесть его кумулятивный характер.

Один из таких шагов состоит в поисках более

общих (по сравнению с теоретико-групповым)

подходов к теоретической реконструкции

развития физической теории. По этому пути

идут авторы, разрабатывающие так называемую

"алгебру наблюдаемых", из которой в

качестве частного случая выводится понятие

"фундаментальной группы"1.

Другой путь состоит в модификации самого

теоретико-группового подхода к структуре

теории. Так, В.П.Визгиным разрабатывается

так называемый "фазовый" вариант

эрлангизации физики2. В его рамках

формулировка принципов симметрии опирается

не на пространство-время, а на понятие

____________________

1 См.: Зайцев Г.А. Алгебраические структуры

физики // Физическая теория (Философско-

методологический характер). М., 1980.

2 См.: Визгин В.П. Эрлангенская программа в

физике. М., 1975.

172

"фазы" (состояния) и "пространство

состояний". С точки зрения "фазового"

варианта физическая теория, будучи

математической, строится на определенном

многообразии. Понятие пространства

состояний входит в систему ее основных

понятий как множество, на котором задается

многообразие физических величин. Физическая

теория в этом случае предстает как теория

инвариантов группы автоморфизмов

пространства состояний. Если в

пространственно-временном варианте переход

к новой группе не сопровождается

расширением многообразия, то в "фазовом"

варианте расширение группы - это и

расширение самого многообразия. В связи с

этим здесь переход, скажем, от классической

механики к статистической физике связан с

теоретико-групповым расширением. Он

представляет собой движение от группы

автоморфизмов фазового пространства

обобщенных координат и импульсов к группе

автоморфизмов "обобщенного фазового

пространства" - пространства счетно-

аддитивных мер на фазовом пространстве, от-

носительно которой инварианты уравнения

статистической механики. На том же

основании можно считать, что переход от

классической механики к квантовой также

сопровождается групповым расширением: это

переход от группы автоморфизмов фазового

пространства обобщенных координат и

импульсов к группе автоморфизмов

бесконечномерного сепарабельного гиль-

бертового пространства (группа унитарных

преобразований).

Таким образом, в "фазовом" варианте, в

отличие от пространственно-временного, оба

173

перехода сопровождаются расширением группы

и могут быть истолкованы как включение

менее общих структурных отношений в более

общие.

б) ограничительная

Другая функция принципа инвариантности

может быть охарактеризована как

ограничительная. Она имеет два аспекта -

гносеологический и онтологический. В

гносеологическом плане принципы симметрии

служат своеобразными правилами отбора

выдвигаемых уравнений и гипотез.

Соответствие вновь формулируемых гипотез и

теоретических представлений определенным

принципам инвариантности является, по

выражению А.Н.Вяльцева, своеобразной

"платой за вход" в науку3. Употребляя это

выражение, А.Н.Вяльцев имел в виду

требование релятивистской инвариантности,

являющееся очень жестким правилом отбора в

физике. Любая теоретическая система

исключается из дальнейшего рассмотрения,

если ее релятивистская формулировка

оказывается принципиально невозможной.

В онтологическом плане ограничительная

функция принципов инвариантности состоит в

том, что они вычленяют физически

реализуемые состояния из всех логически

возможных состояний: физически реализуемыми

оказываются состояния, инвариантные

относительно группы преобразований, лежащей

в основании теорий.

____________________

3 Вяльцев А.Н. Дискретное пространство-

время. М., 1965. С. 194.

174

В некотором тривиальном смысле любой

закон связан с введением ограничений в поле

ожидаемых событий (Бриллюэн). Но принципы

инвариантности накладывают дополнительные

ограничения на возможности реализации

событий. Это обстоятельство было тонко

подмечено К.Фордом4. Он предложил различать

обычные законы, как законы "дозволения" и

законы сохранения, тесно связанные с

принципами симметрии, как законы запрета. В

физике элементарных частиц доказал свою

необычайную плодотворность принцип,

согласно которому в мире элементарных

частиц может происходить все то, что не

противоречит законам сохранения. И хотя

каждый отдельный закон сохранения накла-

дывает менее жесткие ограничения на

возможное поведение элементарных частиц по

сравнению с законами дозволения, взятые в

системе, они накладывают на априорно

возможные особенности поведения

элементарных объектов очень жесткие

ограничения.

Можно утверждать также, что принципы

инвариантности связаны с еще одним типом

ограничений. Расширение инвариантных

аспектов теории, как правило, влечет за

собой уменьшение числа начальных условий,

необходимых для описания поведения систем.

Ретроспективное постулирование уже самых

первых геометрических принципов

инвариантности в физике - относительно

вращений и сдвигов в пространстве -

фактически провозглашало в явной форме

иррелевантность для описания поведения

____________________

4 Форд К. Мир элементарных частиц.

М., 1965. С. 112.

175