Первая ласточка? (рецензия на книгу И.М. Капитонова "Введение в физику ядра и частиц")

Начнем нашу рецензию с вопроса, который, как может показаться на первый весьма поверхностный взгляд, не имеет прямого отношения к делу. А именно, какое из направлений явилось магистральным для развития физики в XX-ом веке? Качественный ответ на этот вопрос можно дать, если проанализировать, за исследования в каких областях последние 100 лет присуждались Нобелевские премии по физике. Оказывается, что около восьмидесяти процентов всех премий присуждено за работы, прямо связанные с квантовой физикой! А среди послевоенных лауреатов доминируют те ученые, которые работали в физике элементарных частиц. Очевидно, что указанная тенденция сохранится ближайшие несколько десятков лет. Строительство LHC (CERN), новый сеанс работы Tevatron-а (FNAL), проект TESLA (DESY), B-фабрики, эксперименты по поиску нейтринных осцилляций и распада протона подкрепляют сделанное выше оптимистическое заключение.

Теперь, следуя традиции Сократа, который, как известно, обучал своих учеников, задавая им вопросы в определенной логической последовательности, сформулируем еще один вопрос. А что для студента-естественника значит курс общей физики, который он — юный студиоз — слушает (в зависимости от специализации) в течение первого или даже в течение первых трех лет обучения? По идее, подобный курс должен давать общий кругозор, основания для понимания устройства Мира и границ современной науки. Пусть в дальнейшей своей жизни студент не будет заниматься научными изысканиями на переднем крае науки (для этого нужны талант, увлеченность, упорство и, увы, определенный аскетизм), но знания, почерпнутые из курса общей физики, станут определять многие его поступки, хочет того нынешний студент или нет.

Теперь предположим, что выбьется такой студент лет через двадцать в кириенки или, страшно подумать, в сами владимирвладимировичи. Будет страной рулить, иногда об ученых вспоминать, возможно, даже деньги им выделять на исследовательские нужды. Интересно, большое финансирование такой "new-кириенко" выделит физикам-элементарщикам? Боюсь, что вообще никакого финансирования физика элементарных частиц рискует не получить даже в том случае, если со студенческой скамьи "наш рулевой" сохранит иррациональное уважение к этой загадочной науке — "общей физике". Почему? Да потому, что во всех наиболее известных и используемых в российских ВУЗах курсах общей физики семестр уделен механике, семестр термодинамике, семестр электричеству, семестр оптике, семестр основам квантовой механики и атомной физики. А в последний семестр изучаются одновременно ядерная физика, физика твердого тела, астрофизика и физика элементарных частиц. Причем изучаются по учебникам, дающим сведения минимум пятнадцатилетней давности! Естественно, что скороговоренная, в лучшем случае, на одной-двух лекциях устаревшая "элементарная физика" — являющаяся, на самом деле, передним краем современной науки — не оставит в голове студента существенных воспоминаний. Следовательно, важностью и нужностью этой науки нынешний студент и будущий государственный муж не проникнется. Не проникнется ей и муж негосударственный, которого скромно именуют "простым налогоплательщиком" с высшим образованием. Такие люди, как правило, занимают не последние посты в бизнесе.

Отсюда очевидный вывод. Если ученые хотят, чтобы на исследования в области физики высоких энергий выделялись деньги (не сейчас, так в будущем), ситуацию с преподаванием физики элементарных частиц в ВУЗах нужно срочно коренным образом менять, то есть уделять физике высоких энергий больше внимания в рамках "Курса общей физики". В то же самое время, при неизменном количестве лекций необходимо сохранить изложение всех основных представлений ядерной физики и астрофизики. Задача в методическом плане чрезвычайно трудная. Ее решение подсилу немногим кафедрам ведущих отечественных ВУЗов.

На Физическом факультете МГУ преподавание ядерной физики, астрофизики и физики элементарных частиц осуществляется Кафедрой общей ядерной физики во главе с профессором Б.С. Ишхановым. Кафедра имеет чрезвычайно сильный преподавательский состав. Многие сотрудники кафедры активно участвуют в научной работе, непосредственно связанной с исследованиями в области ядерной физики, в ведущих мировых научных центрах. Поэтому не явилось неожиданностью, что первое в нашей стране, абсолютно оригинальное учебное пособие, в котором сделана попытка отвести физике элементарных частиц то место, которое она по праву заслуживает в "Курсе общей физики", создано именно на Кафедре общей ядерной физики Физфака МГУ. Эта, без преувеличения, долгожданная книга — систематический учебник проф. И.М. Капитонова "Введение в физику ядра и частиц", М. "УРСС", 2002 год, рецензию на который я хочу представить читателям данной заметки.

"Введение в физику ядра и частиц" является итогом целого ряда учебных пособий, которые были подготовлены на Кафедре общей ядерной физики в последние десять лет. Увы, практически все эти учебные пособия изданы тиражам не более сотни экземпляров, а потому доступны исключительно студентам и преподавателям МГУ. Из доступных более широкому кругу читателей стоит отметить "Субатомную физику. Вопросы. Задачи. Факты" под редакцией проф. Б.С. Ишханова, "Издательство МГУ", 1994 г. (тираж 3000 экз.) и недавно вышедшее учебное пособие "Нуклеосинтез во Вселенной" Б.С. Ишханова, И.М. Капитонова и И.А. Тутынь, "Издательство МГУ", 1999 г. (тираж 500 экз.). Много интересной методической информации по курсу ядерной физики содержится на Internet-сайте кафедры http://depni.npi.msu.su/gnp/.

Но вернемся к "Введению в физику ядра и частиц". Для удобства использования книги преподавателями и студентами, она разбита на 15 лекций. Первые семь из них посвящены стандартным вопросам физики ядра. Вернее, почти стандартным. Например, много внимания в книге уделено таким достаточно специфическим для общего курса физики темам, как изоспину и четности ядер, форме атомных ядер и золотому правилу Ферми. Изложение этих и других вопросов физики ядра проведено на высочайшем педагогическом уровне. С одной стороны, текст не перегружен ненужными вычислительными подробностями. С другой, приведенного материала абсолютно достаточно, чтобы студент имел возможность самостоятельно решать задачи и получать при разумных упрощениях не только качественные, но и КОЛЛИЧЕСТВЕННЫЕ результаты. Соблюсти тончайшую грань между ненужным усложнением и неоправданным упрощением при изложении научных результатов физики XX-ого века очень сложно. Утверждаю это на основе своего преподавательского опыта. Несколько лет назад меня попросили прочесть спецкурс, посвященный физике высоких энергий, для третьекурсников. Это неожиданно оказалось сложнейшей задачей. Ведь студенты не знают ничего из области микромира, кроме соотношения неопределенностей.

Заключая весьма краткий обзор первых семи лекций, без всяких сомнений следует заявить, что при изложении ядерной физики проф. И.М. Капитонов блестяще справился с поставленной задачей. Мне достоверно известно, что материал каждой лекции неоднократно продумывался, много раз его компоновка менялась, пока не было достигнуто оптимума. Пожалуй, только две вещи в первых семи лекциях вызывают некоторое недоумение. Первое — это вынесение важнейшего вопроса о делении атомных ядер в одно из многочисленных приложений, куда среднестатистический студент вряд ли заглянет накануне сессии. Второе — физика нейтронов и ядерных реакторов в лекциях проигнорирована. Однако эти упущения абсолютно не являются фатальными, поскольку в любом классическом курсе общей физики, например, в "Общем курсе физики" Д.В. Сивухина, распадам ядер, нейтронам и атомным реакторам уделено более чем достаточное внимание. Любознательный студент и дотошный преподаватель легко могут обратиться к этим широко распространенным учебникам.

Главная изюминка книги И.М. Капитонова, на мой взгляд, содержится в следующих шести лекциях, которые целиком посвящены физике элементарных частиц! Именно шесть лекций по элементарным частицам выделяют "Введение в физику ядра и частиц" на фоне всех остальных классических курсов общей физики и делают книгу И.М. Капитонова, без преувеличения, уникальным учебным пособием. По этой причине ниже я весьма подробно проанализирую все шесть лекций, постараюсь объективно оценить их достоинства и недостатки. Заранее необходимо сказать, что поскольку "Введение ..." — только первая ласточка в череде подобных книг (я на это надеюсь), то к ее недостаткам следует отнестись снисходительно.

Материал шести лекций по физике частиц трудно сравнивать с каким-либо более ранним образцом. Рассчитанные на широкий круг студентов, как и книга И.М. Капитонова, Фейнмановский и Беркелевский курсы физики, в которых миру элементарных частиц уделено значительное место, на сегодняшний день абсолютно устарели, поскольку содержат понимание физики микромира на уровне середины 1960-х годов. В пятитомном энциклопедическом "Общем курсе физики" Д.В. Сивухина элементарным частицам уделена одна последняя глава — страничек пятнадцать. В этой главе физика элементарных частиц застыла на рубеже 1980-х. А такие вопросы, как квантовая хромодинамика или теории объединения, в книге Д.В. Сивухина не разбираются вовсе. Со специальными курсами по физике высоких энергий, такими как монографии Д. Перкинса, К.Н. Мухина или А.Л. Любимова и Д. Киша (на последнюю имеется моя рецензия "Между небом и землей"), книгу И.М. Капитонова сравнивать абсолютно не верно. Специальные монографии, по определению, обширнее, строже и подробнее. В них содержится все, что есть в лекциях И.М. Капитонова, но эти книги рассчитаны на другую аудиторию — на студентов, которые избрали своей будущей специальностью физику высоких энергий. Очевидно, что для биологов или авиационных инженеров необходимо иное изложение, более простое, но четкое и уровнем выше, чем изложение научно-популярных книг типа недавно вышедшего "Этого странного квантового мира" известного физика-теоретика С. Треймана. Необходимо, в том числе и по причинам, которые я изложил в начале данной рецензии. Таким образом, раздел физики высоких энергий "Введения в физику ядра и частиц" на сегодняшний день не имеет ни аналогов, ни конкурентов в нише учебных пособий для преподавания курса общей физики.

Первая из шести лекций посвящена введению в предмет. Примечательно, что студентов сразу не огорошивают лавиной новых терминов и перечислением фундаментальных частиц. Наоборот, делается очень плавный и последовательный переход от уже освоенной области ядерной физики в совершенно иную. Оказывается, что в курсе ядерной физики студенты незаметно для себя познакомились с достаточно большим количеством элементарных частиц, как то: протон, нейтрон, электрон, фотон, нейтрино, заряженные и нейтральные пионы. Им известны даже переносчики слабого взаимодействия W- и Z-бозоны. Более того, студенты знакомы со всеми четырьмя типами фундаментальных взаимодействий, включая сильные и слабые силы. Теперь на раннее полученные сведения просто предлагается посмотреть под иным углом. Оставшаяся часть лекции посвящена элементарному введению в диаграммную технику Фейнмана. На мой взгляд, в процессе изложения основ фейнманоской диаграмматики допущена большая доля вульгаризации. Вдобавок к этому имеется некоторое число досадных, но легко вылавливаемых квалифицированным преподавателем, опечаток. В целом же, вводная лекция, на мой взгляд, успешно выполнила свою основную задачу. Студенты незаметно, без боязни и излишних предубеждений в сложности материала вступили на передний край современной науки — в мир элементарных частиц.

Следующая лекция является ключевой для понимания всего дальнейшего изложения. Именно в ней вводится стандартная терминология, используемая в физике элементарных частиц, даются определения различных квантовых чисел, присущих элементарным частицам, и на основе кварковых представлений строится систематика легких адронов. Следует особо выделить, что до выхода в свет "Введения в физику ядра и частиц", детальное изучение мезонных и барионных октетов и барионного декуплета в общем курсе физики не предусматривалось. Для проверки данного утверждения достаточно заглянуть, например, в курсы Савельева и Сивухина. Оправдано ли подобное нововведение? Я полагаю, что абсолютно оправдано. Систематика легчайших адронов на основе кварковых представлений была предложена еще в середине 1960-х, блестяще подтверждена и расширена в экспериментах последующих 30-ти лет. Любая научно-популярная книга по физике микромира еще 1980-х годов содержала упоминания об адронных октетах и декуплетах. Обычно, на уровне постулата: дескать, существует такая систематика, и все. Задержка с введением раздела по систематике адронов в университетские учебники была вызвана, во многом, распадом СССР и последовавшим сразу за этим распадом глубоким кризисом отечественной науки. Теперь этот досадный пробел ликвидирован.

Очевидно, что любой курс общей физики должен быть по определению глубже научно-популярных книг. Поэтому во "Введении ..." помимо постулата наличествует его объяснение с точки зрения кварковой модели. И.М. Капитонов выбрал золотую середину между абсолютно правильным (но очень специальным) изложением, связанным с теорией групп, и "качественно-постулативным" изложением, характерным для научно-популярных книг.

Аналогично тому, как материал первой лекции постепенно подводил читателя к более сложной второй, так и материал по систематике адронов во второй лекции органично подводит студентов к более подробному и сложному изучению калибровочной теории сильных взаимодействий (КХД) и до сих пор до конца так и не понятной проблемы конфаймета (пленения кварков в адроне) в третий и четвертой лекциях.

Завершая обзор второй лекции заметим, что она все-таки достаточно трудна для восприятия студентами. Особенно много новой и сложной информации связано с блоком, в котором вводятся все возможные квантовые числа. Кроме того, как мне думается, давать определение адрону как ПРОТЯЖЕННОМУ объекту, участвующему в сильных взаимодействиях, не совсем корректно, поскольку протяженность или точечность адрона зависит от масштаба энергий, на котором адрон исследуется. Правильно было бы сказать, что адроны — это сложные СОСТАВНЫЕ объекты, состоящие из кварков и глюонов, а потому участвующие в сильных взаимодействиях. Еще я бы полностью исключил из изложения девятый раздел лекции "Об изоспине фотона и четности лептонов" как абсолютно специальный. Впрочем, это ни в коей мере не портит моего общего положительного впечатления от второй лекции.

Третья лекция посвящена попытке изложения на качественном уровне основ калибровочной теории сильных взаимодействий — Квантовой хромодинамики (КХД). Без базиса лагранжева подхода к изложению квантовой теории поля, подобная попытка может носить только сугубо качественный уровень. Заметим, что И.М. Капитонов из такого качественного подхода выжимает все, что можно: понятие цвета, спин-флейворно-цветовые волновые функции мезонов и барионов, новый взгляд на классификацию адронов через их волновые функции, цветовое взаимодействие глюонов и асимптотическую свободу. Единственный параграф, который выглядит чужеродным телом в рассматриваемой лекции, это параграф о внутренней структуре протона. Логично было бы поместить этот параграф после обсуждения проблемы невылетания кварков из адронов.

Следующая, четвертая по счету лекция, как раз посвящена проблеме невылетания и логически следующей из этой проблемы, проблеме экспериментального доказательства реальности кварков. Вопросы это не простые, но абсолютно принципиальные. Необходимо особо отметить точность подбора иллюстративного материала. Он сильно помогает в уяснении основных идей экспериментов по установлению реальности кварков. Последний раздел лекции посвящен физике тяжелых кварков. Он носит, к сожалению, конспективный характер. Однако, в сравнении со всеми другими учебниками общей физики, в нем имеется важное нововведение: обсуждение открытия и изучения двух самых тяжелых кварков b- и t-кварков. В настоящее время это передний край экспериментальной физики высоких энергий.

Таким образом, четыре из шести лекций по физике элементарных частиц полностью или частично посвящены теории сильных взаимодействий. Это отражает реальную сложность и многогранность сильных взаимодействий в сравнении со слабыми и электромагнитными.

Пятая лекция целиком посвящена слабым взаимодействиям. В первом параграфе лекции обсуждаются эксперименты по обнаружению нейтрино и по отличию электронного и мюонного нейтрино. Замечу, что в этот раздел необходимо включить и упоминание о проведенном в 2000-ом году опыте, который доказывает, что таулептонное нейтрино отличается от электронного и мюонного. Параграфы, в которых обсуждаются слабые распады, на мой взгляд, очень хороши. Приведенные там примеры помогают, что называется, на пальцах почувствовать реальную физику, которая скрыта за фейнмановскими диаграммами. А вот два заключительных параграфа, посвященных экспериментальному обнаружению несохранения пространственной четности в слабых взаимодействиях и понятию спиральности, можно было бы сильно сократить или убрать в приложения. К сожалению, написание "Введения ..." было закончено раньше, чем стали поступать данные об обнаружении нейтринных осцилляций. Поэтому рассказ об идеи нейтринных осцилляций в книге отсутствует.

Последняя из шести лекций по физике частиц, чрезвычайно насыщена трудной информацией. Прежде всего, это нарушение комбинированной пространственной и зарядовой четности в системах нейтральных каонов. На мой взгляд, изложение, существенно использующее квантовую механику, будет представлять определенные сложности для понимания третьекурсниками, которые только начинают серьезное изучение квантовой теории. Кроме того, в лекциях ни словом не сказано об обнаружении CP-нарушения в системах нейтральных B-мезонов. Это делает материал лекций несколько архаичным. Лекция завершается параграфами, в которых даются базовые понятия о Теориях великого объединения (ТВО) и суперсимметрии. На мой взгляд, детальное изложение ТВО на основе SU(5) группы не оправдано ни с педагогической, ни с физической точек зрения. Тем более, что эксперименты по детектированию распада протона давно опровергли SU(5) вариант ТВО. Думаю, что было бы более правильным подробнее познакомить студентов с вопросами суперсимметрии (ультрамодное направление как в теории, так и в эксперименте) и дать качественные представления о теориях струн и бран.

Однако, в любом случае, шесть лекций по физике элементарных частиц представляют собой количественный и, что самое главное, качественный скачек в изложении общей физики для студентов. Лекции могут быть улучшены и, надеюсь, они будут улучшены в следующих изданиях "Введения в физику ядра и частиц".

Последние две лекции курса посвящены астрофизике. Я не специалист в данной области, поэтому мне трудно судить о качестве лекций. Однако, при сравнении с классическими курсами общей физики можно увидеть, что в лекциях И.М. Капитоново помимо обсуждения классических вопросов о протекании ядерных реакций в звездах, типах звезд и космических лучах содержится обсуждение различных сценариев эволюции Вселенной и инфляции. Думаю, что лекции по астрофизике столь же хороши, как лекции по ядерной физике и физике элементарных частиц.

Общий вывод рецензии таков. Книга проф. И.М. Капитонова "Введение в физику ядра и частиц" является абсолютно новым словом в преподавании общей физики в ВУЗах. Она оригинальна и практически во всем отражает самые современные тенденции ядерной физики и физики элементарных частиц. Хочется надеяться, что рецензируемая книга является лишь первой ласточкой. За ней последуют другие современные учебники отечественных авторов. "Введение ..." необходимо рекомендовать студентам младших курсов и преподавателям курса общей физики в ВУЗах. Тираж книги 1700 экземпляров, что в нынешнее время делает ее массовым учебником. А небольшая цена (в районе 100 рублей), делает книгу широко доступной для покупки как студентам и преподавателям, так и библиотекам ВУЗов России и ближнего зарубежья. Хочется надеяться, что "Введение в физику ядра и частиц" станет популярным и выдержит многочисленные переиздания.

Скан обложки рецензируемой книги взят с сайта Shop-online.ru.

Обозрение Николая Никитина "Неизбежность странного микромира"