Шрифт:
Неудивительно, что при вращении нуклон растягивается, но делает он это не так, как вращающийся кусок теста для пиццы, который превращается в двумерный блин.
Расположение точек в виде прямой линии указывает на то, что нуклон растягивается в длинный тонкий эластичный струноподобный объект.
Полвека экспериментов с нуклонами принесли уверенность в том, что это эластичные струны, которые могут растягиваться, вращаться и вибрировать, когда возбуждаются дополнительной энергией. На самом деле все адроны можно растянуть в длинные струноподобные объекты. Очевидно, все они сделаны из одной и той же липкой, тягучей, растяжимой материи — чего-то наподобие кошмарно прочной жевательной резинки, которая совершенно не рвётся. Ричард Фейнман использовал термин «партоны» для описания частей нуклона, однако закрепились термины «кварки» и «глюоны», которые предложил Мюррей Гелл-Манн. Глюоны — это как раз тот липкий материал, который образует струны и не даёт кваркам разлетаться [123] .
123
Слово «глюон» происходит от английского glue — клей. — Прим. перев.
Мезоны — это простейшие адроны. Открыто множество разных типов мезонов, но все они имеют одно и то же строение: один кварк и один антикварк, соединённые липкой струной.
Мезон может вибрировать, как пружина, крутиться вокруг своей оси, как чирлидерский жезл, изгибаться и складываться разными способами. Мезоны — это пример открытых струн, то есть струн, имеющих концы. В этом отношении они отличаются от резиновых колец, которые мы будем называть замкнутыми струнами.
Нуклоны состоят из трёх кварков, каждый из которых присоединён к струне, а три струны сходятся в центре, как у боласа индейцев гаучо. Они тоже могут крутиться и вибрировать.
Быстрое вращение и вибрация адрона добавляют струне энергию, растягивают её и увеличивают её массу [124] .
Существует ещё один тип адронов — семейство «бескварковых» частиц, состоящих только из струн, замкнутых на себя и образующих петлю. Физики называют их глюболами, но для струнного теоретика это просто замкнутые струны.
124
Поначалу физики не догадывались, что многие адроны — это вращающиеся или вибрирующие варианты нуклонов и мезонов; они считались совершенно новыми различными частицами. Публиковавшиеся в 1960-х годах таблицы элементарных частиц были длинными списками, для которых не хватало букв в греческом и латинском алфавитах. Но со временем прояснилось понятие «возбуждённых состояний», и стало ясно, что всё это в основном вращающиеся и вибрирующие мезоны и нуклоны.
Не похоже, чтобы кварки состояли из ещё меньших частиц. Подобно электронам, они столь малы, что их размеры неизмеримы. Но струны, которые связывают кварки между собой, определённо состоят из других объектов, и эти объекты — не кварки. Липкие частицы, которые соединяются в струны, называются глюонами.
По сути, глюоны — это очень маленькие кусочки струны. Будучи чрезвычайно малыми, они тем не менее имеют два «конца» — положительный и отрицательный, — почти как если бы они были маленькими магнитами [125] .
125
Концы магнита обычно называют северным и южным полюсами. Я не хочу, чтобы создалось впечатление, будто глюоны ориентируются подобно стрелкам компаса, поэтому я называю полюса глюонов положительным и отрицательным.
Математическая теория кварков и глюонов называется квантовой хромодинамикой (КХД). Может показаться, что это название связано с цветной фотографией, а не с элементарными частицами. Но терминология скоро прояснится.
Согласно математическим правилам КХД, глюон не может существовать сам по себе. По математическим законам его положительный и отрицательный концы должны быть присоединены либо к другим глюонам, либо к кваркам: каждый положительный конец должен присоединиться к отрицательному концу другого глюона или к кварку; каждый отрицательный конец должен присоединиться к положительному концу другого глюона или к антикварку; наконец, три положительных или три отрицательных конца могут соединиться вместе. По этим правилам легко можно собрать нуклоны, мезоны и глюболы.
Теперь рассмотрим, что происходит, если кварк в мезоне подвергся воздействию очень большой силы. Такой кварк начинает быстро удаляться от антикварка. Если бы всё было так, как с электроном в атоме, то он бы улетел прочь, но здесь случается совсем другое. При удалении кварка от своего партнёра между глюонами возникают зазоры, как между молекулами резиновой ленты, когда её слишком сильно растягивают. Но вместо разрыва глюоны клонируют себя, порождая новые глюоны для заполнения зазоров. Так формируется струна между кварком и антикварком, которая предотвращает убегание кварка. На следующем рисунке показана временная последовательность состояний при такой высокоскоростной попытке убегания кварка от антикварка в мезоне.
В конце концов кварк исчерпает свою энергию, остановится и вернётся обратно к антикварку. То же самое случится и с разогнавшимся кварком в нуклоне.
Струнная теория нуклонов, мезонов и глюболов — это не досужие спекуляции. За прошедшие годы она была исключительно точно подтверждена и рассматривается как часть стандартной теории адронов. Что вызывает путаницу, так это вопрос, следует ли рассматривать струнную теорию как вытекающую из квантовой хромодинамики, иными словами, должны ли струны считаться длинными цепочками долее фундаментальных глюонов или же предпочесть другой способ объяснения: что глюоны — не более чем короткие сегменты струн. Возможно, что оба подхода верны.
Кварки кажутся столь же маленькими и элементарными, как электроны. Они не могут раскручиваться, сжиматься или деформироваться. Но, несмотря на то что в них не видно внутренних частей, они обладают степенью сложности, которая выглядит парадоксальной. Существует много типов кварков с разными электрическими зарядами и массами. Что вызывает эти различия, остаётся загадкой; внутренние механизмы, лежащие в основе этих различий, слишком малы, чтобы можно было их различить. Поэтому мы называем кварки элементарными, по крайней мере пока, и, как ботаники, даём им разные названия.