Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Лептоны (e ?_e), (? ?_?), (? ?_?).

Кварки(u d),(s c), (b t).

Сколько их ещё, пока неизвестно, но, похоже, это почти всё. Из некоторых космологических данных следует, что предельное число для каждой группы – восемь.

Резюме и дальнейшее деление на составляющие

Мы видим, что квантовую электродинамику удалось объединить с теорией слабого взаимодействия, создав теорию электрослабого взаимодействия. Следующим шагом, естественно, является включение квантовой хромодинамики, а затем и тяготения, которое пока стоит особняком. О таком полном объединении речь пойдёт в следующей главе. А пока зададимся другим вопросом: окончательна ли приведённая выше схема строения вещества из лептонов и кварков? Этот вопрос может показаться диким, ведь считается, что ни те, ни другие не имеют размеров, а кварк даже невозможно изолировать для детального исследования. Применительно к электрону удалось установить, что если он и имеет внутреннюю структуру, то размеры его составляющих меньше 10^-16 см. До сих пор ни в одном эксперименте не удалось обнаружить структурные образования большего размера. Похоже также, что кварки нельзя изолировать, даже при невероятно больших энергиях, но отсюда не следует, что этого не удастся сделать никогда.

Если теория кварков и лептонов действительно так хороша (а из неё следуют буквально все наблюдаемые явления), то зачем искать какие-то ещё более глубинные структуры? Прежде всего потому, что частиц всё-таки довольно много. В первоначальной теории было только три кварка; теперь, с учётом цвета, их уже 18 плюс шесть лептонов, а возможно, и ещё больше. С таким количеством уже трудно справляться. Кроме того, при более внимательном анализе теории всплывает ряд нерешённых вопросов. Очевидно, в ней присутствуют необъяснённые симметрии. Например, все частицы как будто объединены в триплеты: три лептона с зарядом -1, три – с нулевым зарядом, три кварка с зарядом -1/3, три – с зарядом +2/3. Почему так? Возможно, ещё более существенны так называемые поколения частиц:

для лептонов (?_e /e), ( ? / ? ), (?_? / ? ).

для кварков ( u / d ), ( c / s ), ( t / b).

Все три поколения, если не принимать во внимание массу, идентичны. Другими словами ?-мезон ведёт себя точно так же, как вёл бы себя тяжёлый электрон, таково же поведение ещё более тяжёлой ?-частицы. Очарованный c-кварк похож на потяжелевший u-кварк. Какова взаимосвязь различных поколений? Не являются ли некоторые частицы возбуждёнными состояниями других? Можно задать и ещё более сложный вопрос: почему частицы имеют именно такую массу? Пока нет объяснения различию в массах частиц, а ведь отношение их масс весьма велико.

Остаются необъяснёнными значения зарядов. Все окрашенные частицы имеют заряд, кратный 1/3 заряда электрона, а частицы, не имеющие цвета, – кратный единице. Почему в природе реализована именно такая возможность? Ответа теория не даёт. Остаётся невыясненной связь электрического заряда с цветом. Наконец, есть ли вообще связь между кварками и лептонами? Не принадлежат ли они к одному семейству?

Более фундаментальная теория не должна отменять нынешнюю; она может при определённых условиях выходить за рамки прежних теорий, так же как теория относительности не укладывается в пределы ньютоновой теории или квантовая механика выходит за пределы классической теории при движении в глубь атома. Поскольку нынешняя теория хорошо работает на расстояниях до 10^-16 см, естественно ожидать, что более глубокая структура должна проявляться в меньших масштабах, иначе её можно было бы наблюдать и сейчас.

В последние несколько лет предпринимались активные попытки построения новой теории. При этом, естественно, ставилась цель найти простое семейство, содержащее меньше частиц, чем сейчас; тогда кварки и лептоны состояли бы из более фундаментальных частиц, а второе и третье поколения описывались бы как возбуждённые состояния. Такую теорию предложили в 1974 году Салам и Пати. Свои фундаментальные частицы они назвали преонами; из них можно строить все кварки и лептоны. Однако их теорию никак нельзя назвать удовлетворительной: в ней, в частности, требуется не одно, а три различных семейства частиц. Другую теорию, также не свободную от недостатков, предложил Хейн Харари; в ней фундаментальные частицы называются ришонами.

Если такой подход окажется плодотворным и на самом деле удастся найти одно семейство, а то и единственную фундаментальную обменную частицу, это несомненно поможет приблизиться к нашей цели – построению единой теории строения Вселенной. В следующей главе мы обратимся к рассмотрению современных теорий объединения микромира, базирующихся на предположении о том, что кварки и лептоны относятся к одному семейству частиц.

Глава 10Единая теория строения Вселенной