Что такое кварки

Кварки… Что это такое? Научные термины редко придумывают произвольно, их стараются выбирать в соответствии с характером обозначаемого явления или объекта. Позитрон, например, — носитель элементарного положительного заряда; «позитро» по-латыни значит положительный. Нейтрон — частица, не несушая электрического заряда, ее название происходит от латинского слова «нейтрум», что значит «ни то, ни другое». Адроны — группа элементарных частиц, обладающих значительными массами и сильно взаимодействующих: «адрон» по-гречески — массивный, мощный. Лептоны — слабо взаимодействующие частицы, их название на том же языке значит тонкий, нежный. Точно так же гипероны, мезоны, барионы, нуклоны, фотоны и многие другие названия микрочастиц могут быть объяснены, обоснованы, переведены с древних языков на новые. А как понять новое название «кварк»?

Увы! — ни в одном словаре такого слова нет. Откуда же взялось оно? Оказывается, виноват дублинский трактирщик Финнеган, герой романа английского писателя Джойса «Поминки по Финнегану». В этом усложненном, запутанном, нарочито непонятном литературном произведении есть эпизод, в котором Финнегану (или его двойнику, «вытеснившему его из жизни») мерещится, что он Король Марк из средневековой легенды, у которого племянник Тристан похитил жену, прекрасную Изольду. Король Марк гонится за Изольдой на корабле, над ним кружат чайки (которые, впрочем, быть может, вовсе не чайки, а судьи) и злобно кричат «ТРИ КВАРКА МИСТЕРУ МАРКУ». Короля мучают кошмары, над ним издеваются чайки, и все громче их загадочный, страшный клич: «ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА…».

Короче говоря, термин «кварки» в «переводе» на нормальный человеческий язык будет означать «бредовые», «немыслимые», «кошмарные», «дикие», «невообразимые» — можете смело продолжать подбирать синонимы сами.

Придумав новые, совершенно необыкновенные частицы микромира, наделив их умопомрачительными свойствами и построив из них обычные микрочастицы, американский физик М. Гелл-Манн назвал порождение своей научной фантазии «кварками». Но зачем он сделал все это? Зачем понадобилась еще одна непонятная частица? Ведь и без того их больше, чем хотелось бы физикам.

Именно чрезмерное обилие микрочастиц натолкнуло Гелл-Манна на идею кварков. Сперва предполагалось, что вселенная построена из протонов и электронов, частиц неуничтожаемых и вечных. Затем было открыто еще около трех десятков элементарных частиц, причем большинство из них — нестабильны, то есть вскоре после возникновения самопроизвольно распадаются, превращаясь в другие частицы. Сейчас известны элементарные частицы двухсот с лишним видов. Многие из новых обитателей микромира существуют всего лишь триллионные доли секунды.

Увеличение числа частиц, открытие новых их свойств, конечно, радовало ученых. Но вместе с тем все острее вставала проблема классификации обитателей микромира. Очень хотелось свести их пестрое многообразие к какому-то порядку, единству.

После множества неудачных попыток зажглась, как будто, звезда успеха: сначала удалось создать очень абстрактную, сугубо математическую классификацию адронов (увенчавшуюся предсказанием открытия очередной новой частицы). И после этого американский физик выдумал кварки, «кирпичики мироздания», из которых, как сейчас считают, построены и протоны, и нейтроны, и почти все прочие микрочастицы.

Вот уже много лет физики всего мира говорят о кварках. И никак не могут их обнаружить в эксперименте. Разумеется, чтобы эти новые «кирпичи» выполнили свою роль, надо было указать, как построить из них «дома». Этого Гелл-Манн добился. Но дорогой ценой: он вынужден был наделить кварки необыкновенными свойствами. Столь необыкновенными, что для названия предполагаемых частиц этот физик и избрал химеру Джойса — кварки Финнегана.

У Джойса сказано — «Три кварка». У Гелл-Манна их тоже три. Три разных кварка. И еще три античастицы (наделенные противоположными зарядами): три антикварка. Всего шесть. Так следовало из некоторых общих соображений, и в этом еще нет ничего бредового и невероятного.

Чтобы понять, почему понадобилось столь образное имя «кварк», надо вспомнить следующее. У всех элементарных частиц есть несколько свойств, физических характеристик, которые обязательно сохраняются, какие бы чудовищные силы ни действовали на частицы. Никакие превращения не могут принести к тому, чтобы эти величины хоть сколько-нибудь прибавились или убавились. Очевидно, кварки должны обладать всеми этими характеристиками.

Первая из них — электрический заряд. Он обязательно сохраняется при взаимодействиях и превращениях частиц. Причем до недавних пор физики твердо знали: существует наименьшая возможная порция электричества, неразрушимая и неделимая — заряд электрона. Но кварки потому и кварки, что для них возможно невозможное: одному из них приписан заряд -1-2/3, а двум другим — по —1/3!

Должен сохраняться во всевозможных процессах и так называемый барионный заряд (он проявляется лишь на ничтожных расстояниях, сравнимых с размерами атомного ядра). Для известных частиц барионный заряд может иметь значения +1, 0 и — 1. Это, соответственно, мезоны и барионы (а также антибарионы). Кваркам же пришлось приписать барионный заряд +1/3 (антикваркам — 1/3).

Кроме этих двух зарядов, в превращениях элементарных частиц сохраняется спин — величина, характеризующая вращение вокруг собственной оси. Тут у кварков ничего фантастического нет, — как и у многих частиц, спин у них равен 1/2.

Есть еще четвертая величина, в какой-то мере подобная заряду, — странность. Имя это (придуманное, кстати, тем же Гелл-Манком), дано ей за странное свойство: при некоторых видах распада она не сохраняется. Так вот, у двух из трех кварков странность равна нулю и у одного — минус единице. Это тоже не очень удивительно.

Самое же поразительное в кварках — их масса. Масса невообразимо огромная, неслыханная и трудновообразимая для элементарных частиц — они должны быть в 10 раз тяжелее протона!

Для физика такое допущение звучит примерно так же, как для нас с вами утверждение, что где-то в лесу иногда встречаются майские жуки величиной с ТУ-124. А для нефизиков еще удивительнее то, что из таких сверхтяжелых частиц, по-видимому, построены частицы, вдесятеро более легкие. Из трех самолетов без потерь материала сделан один обыкновенный (не гигантский) майский жук. Как это понимать?

Сегодня широко известен знаменитый эйнштейновский закон эквивалентности массы и энергии Е = mc2. По этому закону всякое тело несет в себе гигантскую энергию, пропорциональную его массе и квадрату скорости света. При различных взаимодействиях энергия тела может изменяться, но тогда обязательно меняется и его масса. Словом, масса имеет энергию, а энергия — массу.

Продолжение следует.

Автор: М. Карев.