Дао физики - Фритьоф Капра

На протяжении последнего десятилетия в результате открытия большого количества новых частиц в ходе экспериментов по рассеиванию с применением все более высоких энергии кварковая модель, как уже говорилось в главе 16, была существенным образом расширена и уточнена. Каждый из первоначально постулированных кварков, получивших обозначения соответственно u, d и s, должен был существовать в трех различных ароматах, а затем ученые постулировали существование и четвертого кварка, получившего аромат «charm». Впоследствии к модели добавилось еще два аромата (t и b, что обозначает «top» и «bottom», то есть соответственно, «вершина» и «дно», а более романтическое толкование дают варианты "trueit и «beautiful», то есть "подлинный и «красивый»), вследствие чего общее количество кварков стало равным восемнадцати — шести ароматам, помноженным на три цвета. Неудивительно, что многим физикам такое многообразие фундаментальных «кирпичиков» мироздания пришлось не по душе, и они начали поговаривать о необходимости введения «более элементарных» частиц, из которых и должны состоять кварки...

Одновременно с построением моделей экспериментаторы продолжали заниматься поисками свободных кварков, но безуспешно, что и составляет основную проблему, стоящую перед кварковой моделью. В рамках теории КХД это получило название «кваркового сжатия». Ученые выдвинули предположение о том, что по каким-то неизвестным причинам кварки постоянно пребывают в «сжатом» состоянии внутри адронов и не могут поэтому предстать перед нашим взглядом. Было разработано несколько моделей кваркового сжатия, однако все эти попытки характеризовались крайней степенью разобщенности, и до сих пор не привели к появлению более или менее последовательной теории.

Подведем итоги нашего рассмотрения кварковой модели. Для объяснения всех наблюдаемых в адронном аспекте структур необходимо, по крайней мере, восемнадцать кварков и восемь глюонов, ни один из которых не был обнаружен в свободном, несвязанном состоянии, а их существование в качестве физических составляющих адронов привело бы к появлению серьезных теоретических сложностей; для описания постоянного сжатия кварков выдвигалось несколько моделей, но ни одна из них не является подходящей динамической теорией, в то время как КХД, представляющая собой теоретический каркас кварковой модели, может использоваться только по отношению к очень узкому кругу явлений. Тем не менее, невзирая на все эти сложности, большинство физиков до сих пор сохраняет приверженность идее «строительных кирпичиков» материи, которая так глубоко укоренилась в западном научном сознании.

По всей видимости, наиболее впечатляющие события в физике частиц произошли совсем недавно, и выражаются они в возникновении теории S-матрицы и гипотезы бутстрапа (см. главы 17 и 18), которые не используют никаких фундаментальных сущностей, но стремятся истолковывать природу мироздания исключительно через ее самосогласованность. Я уже говорил, что считаю гипотезу бутстрапа высшей точкой развития современной научной мысли, и подчеркнул, что именно в этом своем проявлении современная физика ближе всего подходит к восточной философии — как в отношении общей картины мира, так и во взглядах на строение материи. В то же самое время философия бутстрапа представляет собой в высшей степени неординарный подход к физическим явлениям, вследствие чего сторонниками бутстрапа являются далеко не все физики. Большинство же физиков видят в бутстрапе некий элемент, который проявляет чужеродность по отношению к основному направлению развития их науки, и не принимают ее в расчет. Последнее верно и для теории S-матрицы. Не только любопытным, но и чрезвычайно важным представляется то обстоятельство, что несмотря на то, что основные понятия этой теории используются всеми специалистами по физике частиц при анализе результатов экспериментов по рассеиванию и сравнении результатов с положениями их теорий, до сих пор ни одному из тех выдающихся физиков, которые внесли свой вклад в развитие теории S матрицы в течение двух последних десятилетий, не была присуждена Нобелевская премия

Основная задача, стоящая перед теориями S матрицы и бутстрапа, заключалась в том, чтобы объяснить кварковую структуру субатомных частиц. Хотя наше теперешнее понимание субатомного мира исключает возможность существования кварков в виде физических частиц, нет никакого сомнения в том, что адроны обладают Марковыми (кварковыми???) симметриями, которые должна объяснять любая теория, претендующая на роль успешной теории сильных взаимодействий. До сих пор бутстрап-направлению не удалось объяснить эти поразительные закономерности, но за последние шесть лет в рамках теории S-матрицы появилось совершенно новое направление, вследствие чего возникла теория бутстрапа, которая в своем описании частиц позволяет объяснить кварковые закономерности адронов, не постулируя существования физических кварков. Более того, новая теория бутстрапа освещает несколько таких вопросов, которые до этого не затрагивались вовсе.

Для осознания сущности нового направления необходимо установить значение кварковой структуры в контексте теории S-матрицы. Если в кварковой модели частицы выглядят, по сути дела, почти так же, как бильярдные шары, содержащие внутри себя бильярдные шары меньшего размера, теория S-матрицы, использующая холистический и в высшей степени динамический подход, рассматривает частицы в качестве энергетических структур, возникающих в ходе продолжающегося вселенского процесса и являющихся своего рода корреляциями или взаимосвязями между различными участками неразрывной космической сети. В таком контексте термин «квантовая структура» используется по отношению к тем случаям, в которых перемещения энергии и поток информации в этой сети происходят вдоль некоторых четко определенных линий, что порождает двоичность, связанную с адронами, и троичность, связанную с барионами. Это обстоятельство представляет собой динамический эквивалент заявления о том, что адроны состоят из кварков. В теории S-матрицы нет никаких самостоятельных фундаментальных сущностей и «строительных кирпичиков»; здесь мы имеем дело только с потоками энергии, обнаруживающими ряд четко определенных закономерностей.

Таким образом, вопрос заключается в следующем: как возникают конкретные кварковые закономерности? Ключевой момент в новой теории бутстрапа — понятие порядка как нового важного аспекта физики частиц. В этом контексте понятие порядка эквивалентно понятию порядка, использующемуся по отношению к взаимосвязанности субатомных процессов. Существует несколько способов, при помощи которых могут соотноситься друг с другом реакции частиц, а значит, мы можем назвать несколько различных категорий порядка. Для их классификации используется язык технологии, хорошо известный всем математикам, но не применявшийся до сих пор в физике частиц. Если объединить такое понимание порядка с математическим каркасом теории S-матрицы, то остается лишь несколько категорий упорядоченных соотношений, которые могут совмещаться с хорошо известными свойствами S-матрицы. Как раз эти категории порядка и являются кварковыми структурами, наблюдающимися на практике. Таким образом, кварковая структура представляется нам воплощением порядка и логическим следствием из требования самосогласованности, без малейшей необходимости постулировать существование кварков как физических составляющих адронов.

Появление нового, центрального, понятия в физике частиц, понятия порядка, не только привело к существенному развитию идей теории S-матрицы, но и оказало сильное воздействие на всю систему научных знаний. В настоящее время понятие порядка в субатомной физике продолжает сохранять свою таинственность и используется далеко не всеми. Тем не менее, заметим, что, как и три принципа строения S-матрицы, понятие порядка играет очень важную роль в определении нашего научного подхода к анализу явлений и природы и занимает центральное место в формировании нашей методики наблюдения. Способность распознать порядок, по-видимому, должна быть существеннейшим аспектом рационального ума. Каждое восприятие паттерна есть, в некотором смысле, восприятие порядка. Разъяснение концепции понятия порядка в поле исследования, где паттерны материи и паттерны ума непрестанно распознаются как отражения одного в другом, обещает, таким образом, раскрыть потрясающие границы познания.

По мнению Джеффри Чу, автора идеи бутстрапа, выполнявшего роль связующей и организующей силы и философского лидера в области теории S-матрицы на протяжении последних двадцати лет, применение методики бутстрапа для анализа других явлений, помимо описания адронов, может вызвать непредвиденную необходимость эксплицитно включить рассмотрение человеческого сознания в будущие теории материи. «Такой шаг в будущем, — писал Чу, — окажет на развитие науки гораздо более сильное воздействие, чем все концепции, входящие в адронный бутстрап... Наша теперешняя борьба с адронным бутстрапом может поэтому стать лишь увертюрой к совершенно новой форме человеческой умственной деятельности» (см. Эпилог).