Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Текст статьи был написан раньше всех остальных в этом сборнике, тем не менее он все еще актуален и имеет непосредственное отношение к проблемам современной физики. И действительно, перечитав его спустя 20 лет после написания и спустя 120 лет после открытия электрона, я испытал некоторое сожаление из-за того, что вопрос, вынесенный в заголовок, все еще остается без ответа.

Если незнакомец, услышав, что я физик, спрашивает меня, в какой области физики я работаю, обычно я отвечаю, что занимаюсь теорией элементарных частиц, после чего всегда начинаю нервничать. Я жду следующего вопроса: «А что такое элементарная частица?», отвечая на который я должен буду признать, что на самом деле этого никто не знает.

Для начала хочу заявить, что объяснить значение термина «частица» совсем не сложно. Частица — это просто физическая система, у которой нет непрерывных степеней свободы, за исключением ее полного импульса. Например, мы можем полностью описать состояние любого электрона, указав его импульс и спин относительно любой заданной оси. (Спин — это величина, которая в квантовой механике может принимать только дискретное, а не непрерывное множество значений.)

С другой стороны, система, состоящая из свободного электрона и свободного протона — это уже не частица, поскольку, чтобы описать такую систему, нужно указать две непрерывные величины, то есть моменты и электрона, и протона, а не просто их сумму. Однако если электрон и протон связаны, как, например, в атоме водорода, находящемся на низшем энергетическом уровне, то вместе они образуют частицу. Любой согласится, что атом водорода — это не элементарная частица, но далеко не всегда так уж просто провести подобное разграничение или хотя бы даже сказать, что оно значит.

Несколько десятилетий, в начале XX в., казалось, что нет никаких проблем в том, чтобы объяснить, что такое элементарная частица. Томсон с помощью электрического поля в электронно-лучевой трубке смог оторвать электроны от атомов, так что атомы оказались не элементарными. От самих электронов невозможно ничего отделить, поэтому электроны считались элементарными. Когда в 1911 г. в лаборатории Эрнеста Резерфорда было доказано существование атомных ядер, предполагалось, что они не являются элементарными, поскольку было известно, что некоторые радиоактивные ядра испускают электроны и другие частицы, а кроме того, заряд и массу ядер можно было объяснить, допустив, что ядра состоят из двух типов элементарных частиц — легких, отрицательно заряженных электронов и тяжелых, положительно заряженных протонов.

Несмотря на отсутствие четкого определения термина «элементарная частица», мысль о том, что вся материя состоит всего из двух типов элементарных частиц, оказалась очень живучей и всепроникающей, как это ни странно с современной точки зрения. Например, когда в 1932 г. Джеймс Чедвик открыл нейтрон, общепринятым было предположение, что нейтроны — это некое сильно связанное состояние протонов и электронов. В своей статье, рассказывающей об открытии, Чедвик высказал мнение: «Конечно, можно предположить, что нейтрон — это элементарная частица. На текущий момент в пользу этой точки зрения очень мало аргументов, но одним из них является возможность объяснить статистические данные по ядру азота-14»[63]

. (Некоторые могут подумать, что это очень весомый аргумент: исследование молекулярного спектра показало, что ядро азота-14 является бозоном, а это невозможно, если оно представляет собой связанное состояние протонов и электронов[64].) И только открытие независимости сил ядерного взаимодействия от электрического заряда, сделанное в 1936 г. Мерлом Тьювом и его коллегами, ясно показало, что нейтроны и протоны должны рассматриваться с одинаковых позиций: если протоны — это элементарные частицы, тогда и нейтроны должны быть элементарными тоже[65]

. Сегодня зачастую используют общий термин «нуклон», когда говорят о протонах и нейтронах.

С этого начался существенный рост списка так называемых элементарных частиц. В 1937 г. он пополнился мюонами (хотя вплоть до недавнего времени их природа была неясна)[66], а пионы и странные частицы были открыты в 1940-х гг.[67] В 1930 г. Вольфганг Паули высказал предположение о существовании новых частиц — нейтрино, которые затем в 1933 г. вошли в теорию бета-распада Энрико Ферми, однако обнаружить эти частицы удалось только в 1955 г. в эксперименте Райнеса-Коуэна[68]. Позже, в конце 1950-х гг., благодаря ускорителям и пузырьковым камерам удалось открыть огромное множество новых сильно взаимодействующих частиц, более тяжелых родственников нуклонов и пионов.