Писатель Сноу сравнивает известные в настоящее время элементарные частицы с коллекцией загадочных оттисков, а физик Р. Оппенгеймер добавляет, что они «вызывающе непонятны».

Никто не может предсказать, когда маятник наших представлений снова качнется к простоте.

Некоторые физики, занимающиеся проблемой элементарных частиц, считают, что в недалеком будущем на основе небольшого числа простых математических предположений удастся создать стройную новую теорию, объясняющую свойства элементарных частиц. Поразительный успех в этом направлении был независимо достигнут в 1961 году М. Гелл-Манном в Калифорнийском технологическом институте и Ю. Нееманом, полковником израильской армии, внезапно решившим стать физиком. Они предложили прекрасную схему классификации элементарных частиц, которая теперь носит название «восьмеричного пути» (по аналогии с буддийским религиозным термином), поскольку в ней каждой частице приписывается восемь квантовых чисел для восьми различных сохраняющихся величин[43]. Эти квантовые числа оказываются связанными друг с другом посредством симметрии простых групповых структур, известных в математике под названием «групп Ли» (по имени норвежского математика Софуса Ли). Восьмеричная картина была в 1964 году блестяще подтверждена сообщением об открытии в Брукхэйвенской национальной лаборатории новой частицы, получившей название «омега-минус». Многие свойства этой частицы были предсказаны именно в рамках восьмеричной гипотезы — поистине замечательный пример значения теории групп (привлеченной в квантовую механику Вигнером) для понимания свойств новых частиц. Пользуясь метафорой доктора Сноу, восьмеричный путь можно сравнить с той схемой, по которой нужно наклеить на альбомную страницу на первый взгляд совершенно случайные почтовые марки, чтобы составить приятный для глаза симметричный узор цветов и изображений. Частицы не столь уж «вызывающе непонятны», если их правильно классифицировать! Другие физики, занимающиеся проблемой элементарных частиц, не так оптимистичны. Одни из них предвидят замедление «качаний маятника» и склонны думать, что настоящая теория частиц не будет сформулирована до тех пор, пока не будет накоплено много новых данных. Они опасаются, что эти новые сведения будет нелегко получить. Даже если восьмеричный путь классификации элементарных частиц окажется столь же успешным, каким в свое время была периодическая система элементов, понадобятся еще десятилетия, чтобы сама эта классификация была полностью объяснена основными законами природы.

Прекратит ли когда-нибудь наш маятник свое движение? Или имеется бесконечное число уровней микроструктуры, подобно игрушечным матрешкам, вложенным одна в другую? Эдвард Теллер в 1962 году писал: «Нет необходимости приписывать электрону внутреннюю структуру... — и добавлял: — пока». Известное «трио» — протон, нейтрон и электрон — не было твердо установлено до 1932 года, когда Джеймс Чедвик в Кэвендишской лаборатории в Кембридже наконец уловил нейтрон[44]. О существовании этой частицы подозревали задолго до этого, и физики облегченно вздохнули, когда нейтрон был наконец обнаружен. Однако не прошло и года, как их самоуспокоенности был нанесен тяжелый удар. Карл Д. Андерсон в Калифорнийском технологическом институте, просматривая траекторию космических частиц, сфотографированных в камере Вильсона, обнаружил след частицы, которая должна была быть электроном, но почему-то искривила свою траекторию в магнитном поле не так, как это следовало бы электрону, а как раз наоборот. Проанализировав всевозможные объяснения обнаруженной аномалии, Андерсон пришел к выводу, что рассматриваемый трек мог быть образован только электроном, имеющим положительный заряд. Он дал этой частице название позитрон, и оно так и закрепилось.

Позитрон был первой из обнаруженных античастиц. К настоящему времени каждая элементарная частица имеет соответствующую ей античастицу. Такие две частицы в точности подобны друг другу, за тем лишь исключением, что знак некоторой сохраняющейся величины (описываемой положительным или отрицательным квантовым числом) у них противоположен. Если частица заряжена, античастица имеет заряд той же величины, но противоположного знака. Если она обладает магнитным моментом, ее античастица имеет магнитный момент противоположного знака, K-мезон и анти-K-мезон не имеют ни заряда, ни магнитного момента, но отличаются знаком еще одного квантового числа, называемого странностью. Иными словами, все сохраняющиеся величины имеют у античастиц обратные знаки, и при соединении частицы и античастицы воедино эти величины уничтожаются — превращаются в фотоны или мезоны. Для фотона и нейтрального пи-мезона античастица совпадает с частицей.

До открытия Андерсона большинство физиков не верили в существование античастиц. Лишь Поль Адриан Морис Дирак, один из наиболее плодовитых физиков-теоретиков, предложил «дырочную» теорию частиц, которая предсказывала существование античастиц. Невозможно объяснить теорию Дирака без привлечения сложных выражений из высшей математики, но очень грубое представление о ней можно получить, вспомнив о существовании популярной «игры в 15», состоящей в последовательном передвижении квадратиков с нанесенными на них цифрами до тех пор, пока не будет достигнуто заданное их расположение[45]. Подобно тому как эти маленькие квадратики, совершая дискретные «квантовые скачки», переходят из одного положения в другое, одновременно перемещается и свободное место, то есть «дырка» в расположении квадратиков. Она тоже переходит из одного подозрения в соседнее, ведя себя так же, как любой из квадратиков. Фактически в теории этой игры «дырка» трактуется как нечто перемещающееся среди квадратиков.

Связь между «игрой в 15» и теорией Дирака состоит в следующем. Теория Дирака предполагает, что пустое пространство — вакуум — на самом деле не пусто, а представляет собой обширное компактное скопление, «море» частиц отрицательной массы. (Отрицательная инертная масса частицы означает, что под действием некоторой силы частица начинает двигаться не по направлению действия силы, а против него.) При некоторых условиях какая-то частица может быть вырвана из своего обычного положения и поднята, так сказать, «над уровнем моря» частиц. При этом происходит «рождение пары» электронов с положительной инертной массой. Один из них — обычный электрон с отрицательным зарядом. Другой — «дырка», оставшаяся «ниже уровня моря». Эта дырка реальна в том же смысле, в каком реален движущийся пузырек воздуха в жидкости или «дырка» в рассмотренной игре[46]. По теории Дирака, она ведет себя как электрон с положительным зарядом. Как писал Дирак в 1931 году, это может быть «частица нового типа, неизвестная экспериментальной физике, имеющая ту же массу, что и электрон, но обладающая противоположным зарядом. Такую частицу можно назвать антиэлектроном».

«Этот антиэлектрон, — продолжал Дирак, — недолго существует в нашем мире. Некоторое время он „движется“ (поскольку кругом движутся другие, не наблюдаемые нами частицы „моря“), затем в дырку попадает электрон и происходит „аннигиляция“ пары. Обе частицы „уничтожают“ друг друга и исчезают из поля зрения». «Аналогичным образом, — рассуждает Дирак, — протоны также могут иметь свое „море“ плотно упакованных частиц. При некоторых обстоятельствах частицы могут выбиваться из этого „моря“ и становиться обычными протонами, оставляя незаполненными „дырки“, несущие отрицательный заряд и ведущие себя подобно антипротонам».

И все это — в 1931 году! Был ли Андерсон знаком с замечательной теорией Дирака? Нет, не был. Более того, когда Андерсон после своего открытия прочитал работу Дирака, он признался, что не смог понять ее до конца. Поэтому можно считать, что Андерсон проявил не меньше научной проницательности и смелости, чем Дирак, предложивший столь необычную теорию. В самом деле, не имея никакого теоретического объяснения, глядя лишь на свой фотоснимок трека, он осмелился заключить, что наблюдаемое явление не может быть объяснено никакой из существовавших теорий: это должен был быть след положительного электрона.