Небольшое пояснение
Опус «Нужны ли струнам кварки?» был написан мной в июле 1990 года. Написал по прочтении замечательной книги Вернера Гейзенберга «Шаги за горизонт». Был весьма впечатлён. Тема кварков занимала давно, и чем больше читал и думал об этом, тем менее казались кварки реальностью, существующими действительно. Хотя сегодня представление о кварках ещё сохраняются в рамках стандартной модели, но учёные в них утратили веру окончательно. Струнные теории продвинулись с 1990 года очень значительно.
11.11.2022 г.
* * *
Гипотеза кварков, удерживаемых в адронах так называемыми струнами, получила широкое распространение и кое у кого превращается в устоявшееся воззрение. Однако никто не даст гарантию, что через несколько лет в физике элементарных частиц не появится потребность в новых кварках, и, стало быть, в новых струнных связях. Кварки прибавляются, струнные системы связи между ними усложняются, и в конце концов может случиться так, что кварково-струнная конструкция просто рухнет под своей тяжестью.
Есть ли предел элементарности частиц? Здесь было бы уместно вспомнить слова Вернера Гейзенберга,сказанные им в своей последней книге-завещании (так я её рассматриваю) «Шаги за горизонт». Гейзенберг пишет, что «вера в элементарные частицы не была предрассудком, такое суждение было бы чересчур негативным, поскольку весь язык, применяемый нами в атомной физике двух последних столетий, прямо или косвенно опирается на понятие элементарной частицы. Мы всегда спрашивали: из чего состоит такой-то объект и какова геометрическая или динамическая конфигурация меньших частиц в этом более крупном объекте? По существу, мы каждый раз возвращались к этой демокритовской философии; думаю, однако, что Дирак уже доказал нам ложность такой постановки вопроса». При всём том крайне трудно удержаться от вопросов, заложенных в самом нашем языке. Понятно поэтому, что и сегодня многие физики-экспериментаторы, а то и некоторые теоретики, всё еще заняты поисками «настоящих» элементарных частиц. Они надеются, например, что кварки, если таковые существуют, возьмут на себя роль искомых частиц. Гейзенберг считает это заблуждением, приводит конкретный пример путаницы с кварковыми моделями и утверждает, что от подобной характерной ситуации никак не уйти. «Чем же тогда заменить, – спрашивает он, – понятие фундаментальной частицы?» И отвечает: «Нам следовало бы заменить его понятием фундаментальная симметрия. Фундаментальными симметриями определяется основополагающий закон, обусловливающий спектр элементарных частиц». Заканчивая эту тему, Гейзенберг говорит, что «нам нужно отыскивать не фундаментальные частицы, а фундаментальные симметрии, и если мы действительно совершим этот переворот в понятиях, подготовленный Дираком, то нам уже не понадобится ещё одна научная революция, чтобы понять элементарные, или, вернее, «неэлементарные» частицы».
Сказанное Гейзенбергом нашло конкретное подтверждение в трудах многих физиков. Разработки струнных моделей удержания кварков приводят к странному результату, а именно: кварки из этих моделей буквально выпадают, и остаются одни струны, объекты поистине фундаментальные. В их динамике, взаимодействиях и всех прочих характеристиках понятие симметрии имеет исключительное значение.
Первоначально задумывалось, что будущая теория струн явится прежде всего одним из методов анализа режима сильной связи. Одной из классических задач, где применим этот метод, является теория глюонов. Взаимное притяжение кварка и антикварка обусловливается существованием глюонного поля между ними. Однако «струнный бум», начавшийся в конце 1984 года, был связан с более претенциозной программой использования струнной теории: из неё предполагалось сконструировать «теорию всего» – осуществить с её помощью пока несбывшуюся мечту Эйнштейна о единой теории поля.
Вскоре исследователи обнаружили в струнной динамике интересную вещь. Струна, определённая динамическим принципом Намбу-Гото, является, по сути, упругой нитью. Отсюда простейшая динамическая задача в теории струн свелась к анализу квантовой механики упругой нити. Эта задача эквивалентна задаче о бесконечном числе связанных осцилляторов: упругая нить – это бесконечное число шариков, соединенных пружинками. Поэтому, как и любая квантовая осцилляторная система, упругая нить имеет дискретный спектр возбуждений. Кроме того, вся нить может как целое двигаться в пространстве-времени. При взгляде с больших расстояний (превышающих планковскую длину 10 в минус 33-й степени см) возбуждённая струна выглядит как частица с массой, равной энергии возбуждения. В эту энергию входит и энергия нулевых колебаний струны. Энергия нулевых квантовых колебаний зависит от числа измерений пространства: чем больше размерность, тем больше число различных мод нулевых колебаний.
Впервые познакомившись с этим интересным моментом струнной динамики и вспомнив о Гейзенберге, я пожалел, что он не дожил до теории струн. Ведь теория струн могла бы стать прекрасной иллюстрацией его известной объединенной нелинейной спинорной теории поля, созданной в конце пятидесятых годов. Именно тогда Гейзенберг предпринял почти отчаянную попытку вырваться из плена привычных представлений и взглядов. Частицы, заряды, спины – всё это пора пересматривать, искать иные пути к толкованию подобных характеристик материи.
Основная физическая идея Гейзенберга имеет много общего со взглядами Пифагора и Аристотеля и заключается в признании вечной формы всех видов материи, единого вещества – праматерии. Единое физическое поле – это и есть праматерия, обладающая одновременно и свойствами прерывности, и свойствами непрерывности. Будучи непрерывным, единое поле охватывает всю вселенную, все формы существования материи. Дискретность единого поля характеризует его квантовые свойства: праматерия слагается из неделимых элементов.
В своей работе Гейзенберг исходил из двух затруднений полевой теории элементарных частиц. Это прежде всего появление расходящихся математических выражений при объединении теории относительности с квантовой теорией. Второе затруднение заключалось в эмпирическом характере значений масс, зарядов и других характеристик элементарных частиц. Отсюда вытекают требования, которым должна удовлетворять единая теория поля: 1) операторы поля в уравнении должны относиться не к определенной частице, а к материи в целом; 2) частицы должны соответствовать собственным решениям уравнения поля; 3) уравнения должны учитывать взаимодействия, то есть быть нелинейными, масса частиц должна вытекать как следствие их взаимодействия, и понятие «голой частицы», частицы самой по себе, не должно иметь смысла; 4) рождение и распад частиц вычисляются с помощью отбора, вытекающего из симметрии уравнений; 5) при удовлетворении правилам отбора и требованиям инвариантности эвристическим принципом служит простота уравнений.
На доступном языке из этих требований следует прежде всего, что единое поле должно быть способно возбуждаться. Это необходимо, чтобы из праматерии могла возникнуть любая элементарная частица. Различными состояниями этого возбуждения и будут различные частицы. То есть каждой частице будет соответствовать определенная степень возбуждения.
Пять условий, которым должна удовлетворять новая теория, в сумме давали задачу исключительной сложности. Поэтому целесообразно было предпринять предварительное исследование упрощенной модели. Такой моделью и явилось нелинейное уравнение для спинорной волновой функции. Гейзенберг превратил массу из эмпирически данной величины в величину, которую предстоит найти, решая уравнения поля. Массы частиц получаются из уравнения, в котором наряду с постоянной Планка и скоростью света фигурирует ещё одна мировая константа – минимальная длина (10 в минус 13-й степени см) – мера «самодействия» мирового спинора. Квантование уравнения даёт ряд возбуждённых состояний этого спинора, которым и соответствует спектр масс различных частиц.
Полученный Гейзенбергом спектр масс некоторых частиц согласуется с эмпирическими значениями. Ему удалось, например, получить правильное соотношение между массами нуклона и пиона. Если бы взаимодействия не было, не было бы не только масс частиц, но и самих частиц. Поэтому исходным элементом картины мира является не частица, характеризующаяся неизменным значением собственной массы, а возбуждение поля, вызванное его «самодействием».
Гейзенберг умер в 1976 году. «Струнный бум» начался в середине восьмидесятых годов. С образом упругой нити в теории струн спинорная нелинейная теория Гейзенберга получила зримую модель движений и взаимодействий спиноров (шариков), описываемых нелинейным уравнением. И нас нисколько не должен смущать тот факт, что Гейзенберг говорит в своей теории о едином поле – праматерии. Без единого поля, без единой так называемой субквантовой среды нам никуда не уйти, в том числе в теории струн. Ведь если следовать логике гейзенберговской мысли, то невозбужденные упругие нити справедливо считать естественным состоянием единого поля. Возбуждение нитей, то есть деформация положения шариков, и вследствие этого возникнувшее движение, характеризующееся амплитудой и длительностью колебаний, даст частицу с соответствующей массой и стабильностью. Только в едином поле мы имеем не одномерную упругую нить-струну, а фактически бесконечномерную струну, возбужденные колебания которой по форме подобны колебаниям продольной стоячей волны. Такой продольный (радиальный) осциллятор может иметь не только бесконечный спектр амплитуд, но и примечателен своей стабильностью, при условии, что декремент затухания колебаний спиноров ничтожно мал. Здесь на помощь могла бы прийти теория сверхпроводимости в субквантовой среде.
Спинорная теория Гейзенберга возникла ещё в докварковую эпоху. С началом кварковой эпохи в теории элементарных частиц произошли большие перемены, знания о микромире обогатились и усложнились. Многое уже выглядит иначе, чем во времена Гейзенберга. И всё же, мне кажется, какие бы перемены ни претерпевала теория элементарных частиц, основные пять требований, сформулированные Гейзенбергом к единой теории поля, останутся обязательными для любой теории, претендующей на объективное описание законов микромира. Хорошим подтверждением существования бесконечномерной струнной бескварковой модели может служить известная модель частицы как солитоноподобного возбуждения в среде по имени бризер, или бионом (см. статью «По ту сторону дуализма корпускул и волн»).
Гипотеза кварков возникла с целью объяснить закономерности в спектроскопии и свойствах адронов, а также с целью систематизировать большое число резонансов, известных к тому времени. То есть она возникла как удобный метод наведения порядка в экспериментальных данных. Этот метод не одно десятилетие помогает исследователям в их работе. И всё же кварки продолжают оставаться гипотетическими частицами, которые не только невозможно зафиксировать, но и «выделить в чистом виде». И я не удивлюсь, если вскоре появится теория, отождествляющая кварки, допустим, с размерностями пространства, или ещё что-то в этом роде. Подобные идеи витают в воздухе. Истинной реальностью и первопричиной в мире так называемых элементарных частиц становятся не частицы с их массами, зарядами, спинами, а процессы, внутренняя динамика сред.
Вместе с тем, такой взгляд на частицу материи, как локальное осциллирующее возбуждение в среде, заставляет нас по-иному подойти к вопросу о причинах связи адронов в устойчивые системы. Речь идет об атомных ядрах. Почти ни у кого из физиков-ядерщиков не вызывает сомнения справедливость принятой оболочечной модели ядра. В атомном ядре, представляющим собой всё же целостную систему, нуклоны имеют особенность объединяться в группы, иначе – в так называемые оболочки. Что заставляет нуклоны объединяться в группы? Каков механизм такого объединения? Причины объединения ядерных частиц в оболочки заключены в самой природе частиц-адронов. Волновая, колебательная природа частиц естественно предполагает, что в основе механизма связи нуклонов в ядерных оболочках лежит волновой, колебательный принцип. Частицы как энергоемкие, стабильные возбуждения в среде столь же естественно обусловливают существование в ядерной оболочке силовых взаимодействий между собой (подробнее см. ниже: «О дробных значениях орбитальных моментов ядерных нуклонов»). Мне думается, что предлагаемая гипотеза связи нуклонов в оболочке не войдет в острое противоречие с мезонной теорией связи нуклонов, так как частицы-возбуждения, оказавшись рядом и двигаясь в волновых полях друг друга, неизбежно вызывают обменные взаимодействия, где роль обменного мезона играют напряженности волнового поля в известных точках противостояния нуклонов. Такой механизм связи, мне кажется, справедливо было бы назвать мезонной шнуровкой.
Июль 1990 г.