Три поколения или три слоя материи

Еще одна синхронная, наглядная и полезная для расследования публикация – под названием «Загадка поколений частиц» – случилась в августовском номере журнала Symmetry, издаваемого совместно двумя центрами экспериментальной физики в США, Fermilab и SLAC («The mystery of particle generations», by Matthew R. Francis, Symmetry Magazine, August 2015).

Полезность этой статьи в первую очередь обеспечивает сопровождающая её иллюстрация – где три очень похожих друг на друга комплекса из 4 «фундаментальных частиц» (общим числом 12) распределены по трем уровням ветвей одного и того же дерева.

Суть же загадки, озадачивающей физиков уже более половины столетия, звучит очень просто:

Почему в природе имеется три почти идентичных копии каждой из частиц материи?

Имеется три поколения кварков, образующих протоны и нейтроны, три поколения электронов, три поколения нейтрино. При этом и второе, и третье поколение – это в буквальном смысле копии первого поколения, наиболее хорошо известного науке благодаря своей стабильности. Частицы-копии имеют те же самые электрические заряды, те же самые слабые и сильные взаимодействия. Их существенное отличие заключается лишь в большей массе-энергии. Да еще в совершенно другом сроке жизни, поскольку более тяжелые элементы быстро распадаются на более легкие…

Одна из замечательных особенностей журналов, посвященных экспериментальной физике, заключается в том, что здесь учёные – в отличие от теоретиков – куда меньше склонны делать вид, будто их наука уже постигла «почти все» в окружающем человека мире. И с готовностью признают, что в достатке имеется областей, где сколь угодно большое количество опытов и наблюдений пока ни на шаг не смогло приблизить нас к пониманию того, а что эти вещи, собственно, означают:

В трех поколениях частиц явно имеются структурные закономерности. Некий паттерн – который смотрит прямо на нас. Но мы никак не можем постичь, какой же в этом смысл… Никто так и не знает, почему в природе три поколения частиц. И зачем вообще они в природе понадобились, никто тоже понятия не имеет…

Хотя в рамках научного и рационального взгляда на мир следующий шаг может показаться крайне странным и скорее сумасшедшим, нежели разумным, логика проводимого здесь расследования вполне допускает, что подсказку к столь давней и серьезной загадке физической науки также имеет смысл поискать в «кругах на полях». Причем в тех же самых кругах, которые помогают нам разобраться с устройством тёмной материи – на тайном языке циферблатов и птиц.

Сначала о циферблатах. Если еще раз взглянуть на картинку, сопровождающую статью в Symmetry Magazine, и сопоставить ее с кругами-циферблатами на сельскохозяйственных полях Англии, то совсем несложно заметить такое соответствие. На древе частиц имеется три уровня-семейства, отличающихся увеличением массы по мере приближения к корню. На циферблате Hackpen-Hill-2003 – три круга-стрелки, отличающихся уменьшением размера по мере близости круга к центру. На циферблате Ox-Drove-2015 – три вложенных друг в друга кольца, также отличающихся, естественно, своим диаметром в зависимости от близости к общему центру.

То есть логика сопоставления здесь примерно такая. Имеется вращающаяся система. Согласно известным законам физики, уменьшение диаметра такой системы приводит к увеличению скорости ее вращения. Или иначе – к увеличению плотности энергии системы (в физике частиц воспринимаемой как «масса»). Ну а поскольку речь идет о квантовой физике, демонстрирующей очень много общего с физикой сверхтекучих жидкостей, перемены скорости вращения происходят здесь не плавно, а дискретными ступенями. Или скачками с одного энергетического уровня на другой.

Для того, чтобы стали понятнее естественные процессы, стоящие за ступенчатыми переменами в диаметре частиц, удобнее всего обратиться к физике музыкальных струн. Потому что образование гармоник в звучании таких струн – это наиболее близкий и наглядный классический аналог для дискретных энергетических переходов в физике квантовой. (А механика колебаний струны, линейных колебаний грузика на пружине и равномерного движения точки по окружности, можно напомнить, описываются одной и той же математикой уравнений).

Ну и теперь о птицах. Дабы идея порождения гармоник в колебаниях струны красиво легла на концепцию слоев материи в многоуровневом устройстве раздвоенной реальности, весьма полезной представляется такая символическая картина – появившаяся в английской местности Саут Филд (South Field, Alton Priors, графство Уилтшир) в июле 2008 года.

Как и для всех прочих кругов на полях, всякий человек в этой красивой гигантской композиции может видеть все, что ему или ей вздумается. Ну и если вдруг захочется (почему бы и нет, в жизни всякое бывает) увидеть в этой картине «ключ к тайнам устройства мира», то и для этой цели сей шедевр полевого творчества подходит просто замечательно.

Мы видим здесь симметрично раздвоенную структуру – в каждой из половин по три параллельных слоя, отличающихся количеством повторяющихся элементов. Можно сказать и по-другому: наблюдаем первую, вторую и третью гармоники в колебаниях струны или мембраны.