Читать онлайн «Дао физики». Страница 53

Если мы перевернем этот график на 90 градусов, придерживаясь принятого ранее допущения (глава 12), согласно которому стрелки, направленные вниз, означают античастицы, мы увидим на графике взаимодействие антипротона (р-) и протона (р), в результате которого образуется пара пионов, причем п+ представляет собой античастицу для п— исходного взаимодействия (рис. 58).

Свойство «кроссинга», то есть пересечения, перекрестка, характерное для S-матрицы, в данном случае заключается в том, что оба эти процесса могут быть изображены при помощи одного и того же элемента S-матрицы (рис. 59), то есть два наших графика соответствуют только различным аспектам, или «каналам», одной и той же реакции. (Мы можем продолжать вращать график, получая новые и новые варианты реакций, описываемые, тем не менее, при помощи все того же графика. Каждый элемент S-матрицы изображает шесть различных процессов, однако для нашего рассказа о силах взаимодействия достаточно упомянуть только о двух из них, которые названы выше). Для специалистов в области физики частиц переходы от одного канала к другому являются обычными, и вместо того, чтобы переворачивать график, они просто читают его снизу вверх или слева направо, говоря при этом о «прямом канале» или «кросс-канале». Таким образом, реакция в нашем примере будет прочитана как р+(пи-)->р+(пи-) в прямом канале, и как (р-)+(р) -> (пи-)+(пи+)-в кросс-канале.

Связь между силами и частицами осуществляется при помощи промежуточных состояний двух каналов. В нашем случае в прямом канале протон и пи— могут образовать промежуточный нейтрон, а кросс-канал может состоять из промежуточного нейтрального пиона (пи0). Этот пион, промежуточное состояние кросс-канала, будет рассматриваться как воплощение сил, действие которых в прямом канале выражается в связывании протона и пи— в единое целое для образования нейтрона. Таким образом, для установления связи между силами и частицами нам необходимы оба канала: то, что в одном из них является силой, в его кросс-канале будет уже промежуточной частицей (рис. 60).

Хотя переключение с одного канала на другой не представляет больших трудностей математического порядка, получить четкое интуитивное ощущение того, что при этом происходит, очень сложно, если вообще возможно. Дело в том, что «кроссинг» представляет собой типично релятивистское явление, рассматривающееся в контексте четырехмерного формализма теории относительности и с трудом поддающееся визуализации. С похожим положением дел мы сталкиваемся в теории поля, где силы взаимодействия рассматриваются в виде обменов виртуальными частицами. И в самом деле, график, на котором изображен промежуточный пион в кросс-канале, чем-то напоминает графики Фейнмана, использующиеся для описания обменов виртуальными частицами (не следует, однако, забывать о том, что графики S-матрицы не являются пространственно-временными и имеют характер приблизительных, символических изображений реакции частиц, а также о том, что переключение от одного канала к другому происходит в абстрактном математическом пространстве). В этой связи можно условно говорить о том, что протон и пивзаимодействуют посредством обмена пи0. Такие выражения нередко встречаются в речи физиков, однако они не вполне точны. Более адекватное толкование происходящего требует обязательного использования абстрактных понятий прямого и кросс-каналов, которые практически невозможно представить себе зрительно.

Несмотря на различные математические подходы, общее понимание сил взаимодействия в теории S-матрицы мало отличается от теории поля. Согласно обеим теориям, силы проявляются в форме частиц, масса которых определяет радиус действия силы. Обе теории видят в силах имманентные свойства взаимодействующих частиц: в теории поля силы являются отражением структуры виртуальных облаков частиц, а в теории S-матрицы они порождаются связанными состояниями взаимодействующих частиц. Обоснованная нами параллель с восточным толкованием понятия силы, характерна, таким образом, для обеих этих теорий (см. главу 14). Из такого подхода к рассмотрению сил взаимодействия вытекает важный вывод о том, что все известные частицы должны иметь некую внутреннюю структуру, поскольку только в последнем случае они смогут вступать во взаимодействие с наблюдателем и быть замеченным им. По словам Джеффри Чу, одного из создателей теории S-матрицы. «Воистину, элементарная частица — полностью лишенная внутренней структуры — не была бы подвержена действию каких-либо сил, которые могли бы помочь нам обнаружить ее существование. Уже из того самого факта, что нам известно о существовании частицы, следует сделать вывод о том, что эта частица обладает внутренней структурой!» [15.99].

Особое преимущество математического языка теории S-матрицы заключается в том, что при его помощи можно описать «обмен» целой адронной семьей. Как говорилось в предыдущей главе, все адроны можно разделить на последовательности, для членов каждой из которых характерна полная идентичность всех свойств, за исключением массы и спина. Математическая формулировка, впервые предложенная Туллио Редже, позволяет рассматривать каждую из этих последовательностей в качестве множества возбужденных состояний одного и того же адрона. За последние годы ученым удалось объединить формулировку Редже с теорией S-матрицы, в которой ее стали очень успешно применять для описания адронных реакций. Введение в научный обиход этой формулировки является одним из наиболее важных усовершенствований теории S-матрицы, и может расцениваться как первый шаг к динамическому объяснению паттернов частиц.

Таким образом, теория S-матрицы позволяет физикам описывать строения адронов, силы взаимодействия между ними и некоторые из паттернов, которые они образуют, принципиально динамическим образом, так, что каждый адрон понимается как неотделимая часть неразрывной сети реакций. Основная задача, стоящая перед теорией S-матрицы, заключается в том, чтобы применить это динамическое описание для объяснения симметрий, порождающих адронные паттерны и законы сохранения, которым была посвящена предыдущая глава. В новой формулировке этой теории адронные симметрии должны отразиться на математической структуре S-матрицы таким образом, чтобы она содержала только те элементы, которые соответствуют реакциям, допустимым с точки зрения законов сохранения. Тогда эти законы утратили бы свой теперешний статус чисто эмпирических закономерностей и стали бы логическим следствием динамической природы адронов.

В настоящее время физики пытаются решить эту задачу при помощи постулирования нескольких общих принципов, которые ограничивают математические вероятности построения элементов S-матрицы, придавая последней, таким образом, более определенную структуру. До сих пор было постулировано три таких принципа. Первый из них является следствием из теории относительности и наших макроскопических представлений о времени и пространстве. Он гласит, что вероятности реакций (а следовательно, и элементы S-матрицы) не зависят от расположения экспериментального оборудования в пространстве и времени, его пространственной ориентации и состояния движения наблюдателя. Как говорилось в предыдущей главе, из факта независимости реакций частиц от изменений ориентации и местонахождения в пространстве и времени следует вывод о сохранении суммарного количества вращения, импульса и энергии, принимающих участие в реакции. Эти «симметрии» имеют колоссальное значение для нашей научной работы. Если бы результаты эксперимента менялись в зависимости от времени и места его проведения, наука в ее современном понимании попросту прекратила бы свое существование. Наконец, последнее утверждение относительно того, что результаты эксперимента не зависят от состояния движения наблюдателя, представляет собой сформулированный принцип относительности, лежащий в основе теории с аналогичным названием (см. главу 12).

Второй основополагающий принцип вытекает из квантовой теории. Согласно нему, исход той или иной реакции можно предсказать только в терминах вероятностей, то есть сумма вероятностей всех возможных исходов — включая тот случай, когда взаимодействия между частицами не происходят вообще — должна равняться единице. Другими словами, можно считать доказанным, что частицы либо взаимодействуют друг с другом, либо нет. Это казалось бы, тривиальное положение представляет собой очень важный принцип, получивший название «принципа унитарности», который тоже значительно ограничивает возможности построения элементов S-матрицы.

Наконец, третий и последний принцип имеет отношение к нашим представлениям о причине и следствии и называется принципом причинности. Согласно нему, энергия и импульсы могут совершать пространственные перемещения только при помощи частиц, и при подобных перемещениях частица может возникнуть во время одной реакции и исчезнуть во время другой при том условии, что последующая реакция происходит позже, чем предыдущая. Из математической формулировки принципа причинности следует, что S-матрица обнаруживает непосредственную зависимость от энергий и импульсов частиц, принимающих участие в реакции, за исключением величин, при которых становится возможным возникновение новых частиц. При этих значениях математическая структура S-матрицы резко изменяется: она начинает характеризоваться явлением, которое математики называют особенностью. Каждый канал реакции содержит несколько таких особенностей, то есть несколько значений энергии и импульса, при которых могут образоваться новые частицы. Примером особенностей являются упоминавшиеся выше «резонансные энергии». Принцип причинности предполагает, что S-матрица имеет особенности, но не указывает их точного расположения. Значения энергии и импульса, при которых могут возникать новые частицы, варьируются в зависимости от масс и других характеристик образующихся частиц, а также в зависимости от канала реакции. Таким образом, локализация особенностей отражает свойства этих частиц, а поскольку во время реакций частиц могут возникать любые адроны, особенности S-матрицы заключают в себе информацию обо всех закономерностях классификации адронов и их симметриях. Поэтому главная цель теории S-матрицы заключается в том, чтобы свести структуру особенностей S-матрицы к общим принципам. До сих пор модели, которая могла бы удовлетворить требованиям всех трех принципов, создать не удалось; вообще, вполне возможно, что этих трех принципов вполне достаточно для исчерпывающего описания всех свойств S-матрицы, а значит, и всех свойств адронов. (Это предположение, получившее свою известность под названием гипотезы бутстрапа, будет более подробно рассматриваться в последней главе книги). Если дело обстоит именно так, то философские следствия такой теории будут иметь просто колоссальное значение. Каждый из трех принципов связан с нашими методами организации наблюдений и измерений окружающего мира, то есть с нашим научным подходом. Если структура адронов определяется только этими принципами и ничем иным, это значит, что основные структуры физического мира, в конечном счете, определяются только нашим взглядом на мир. Любое существенное изменение в наших методах наблюдения приведет к изменению основополагающих принципов, что повлечет за собой изменение структуры S-матрицы, а значит, и структуры адронов.