Сходство квантовых состояний атомов и адронов наводит на мысль, что адроны — тоже составные объекты, имеющие внутреннюю структуру и способные «возбуждаться», т. е. поглощать энергию для образования разных паттернов. Но мы пока не понимаем, как это происходит. В атомной физике паттерны можно объяснить в категориях свойств и взаимодействий составных элементов атома (протонов, нейтронов и электронов), но этот подход не может быть применен для описания явлений мира частиц. Паттерны, обнаруженные в мире частиц, были определены и классифицированы эмпирическим путем, и их пока нельзя вывести из структуры частицы.

Главная сложность, с которой сталкиваются исследователи, занимающиеся физикой частиц, заключается в том, что классические представления о составных «объектах», содержащих в себе «составные компоненты», бесполезны при описании субатомных частиц. Узнать, из каких элементов состоят частицы, можно только одним путем: сталкивая их с задействованием высоких энергий. Но в результате подобных экспериментов не удается получить более мелкие «кусочки» исходных частиц. Например, два протона после столкновения на высокой скорости могут разлететься на множество осколков, но среди них никогда не будет «фрагментов протона». Они всегда будут представлять собой целые адроны, образующиеся благодаря кинетической энергии и массе сталкивающихся протонов. Поэтому распад частицы на «составляющие» носит далеко не определенный характер и зависит от количества энергии, задействованной в процессе. Мы имеем дело с типично релятивистской ситуацией исчезновения и переформирования энергетических паттернов, к которым не могут быть применены представления о составных объектах и их составляющих. О структуре атомной частицы можно говорить только в релятивистском смысле — в смысле ее способности участвовать в различных процессах и взаимодействиях.

Преобразование частиц во время столкновений подчиняется определенным законам, а поскольку получаемые фрагменты снова становятся частицами, эти законы могут быть использованы для описания мира частиц. В 1960-е, когда было открыто большинство ныне известных частиц, многие физики, что вполне естественно, уделяли основное внимание описанию этих законов, а не попыткам решить, почему возникают частицы. И здесь наука добилась больших успехов.

Важную роль в исследованиях того периода играло понятие симметрии. Придав ему более общий и абстрактный характер, физики приобрели очень ценный инструмент для классификации частиц. В повседневной жизни самый наглядный пример симметрии — отражение в зеркале. Мы говорим о фигуре, что она симметрична, если через ее центр можно провести прямую, которая разделит ее на две части, являющиеся зеркальными отражениями друг друга (рис. 52).

Рис. 52. Пример симметричной фигуры

Более высокий уровень симметрии предусматривает наличие нескольких линий, или осей симметрии, как, например, в одном из символов, использующихся в буддизме (рис. 53).

Рис. 53. Отражение

Но отражение — не единственная операция, позволяющая достичь симметрии. Мы называем симметричной и фигуру, которая не меняется, будучи повернутой вокруг своей оси. Симметрия вращения используется, в частности, в знаменитом китайском символе инь и ян, или Великого предела (рис. 54).

Рис. 54. Символ инь и ян

В физике частиц явления симметрии связаны со многими другими явлениями, кроме отражения и вращения, и могут иметь место не только в обычном пространстве (и времени), но и в абстрактных математических пространствах. Законы симметрии применимы к отдельным частицам и их группам, а поскольку свойства частиц определяются их способностью участвовать во взаимодействиях, эти законы могут применяться и в отношении процессов взаимодействия. Законы симметрии полезны, поскольку тесно связаны с «законами сохранения». Если какой-то субатомный процесс характеризуется симметрией, можно уверенно утверждать, что в нем участвует некая константа. Константы — элементы стабильности в сложном танце субатомной материи. Они помогают нам в описании взаимодействий частиц. Некоторые измеримые величины остаются постоянными, или «сохраняются», во всех взаимодействиях, другие — только в некоторых. В результате каждый процесс преобразования связан с определенным числом констант. Поэтому симметричность свойств частиц в их взаимодействиях проявляется в законах сохранения. Физики взаимозаменяют эти концепции, говоря то о симметрии физической системы, то о соответствующем законе сохранения.

Есть четыре основных закона сохранения, общие для всех процессов преобразования. Три из них связаны с простыми явлениями и относятся к пространственно-временной симметрии. Все взаимодействия частиц характеризуются симметричностью по отношению к переносам в пространстве: в Лондоне они происходят точно так же, как в Нью-Йорке. Они симметричны и в отношении переносов во времени: во вторник они протекают так же, как и в четверг. Первая симметрия порождает закон сохранения импульса, вторая — закон сохранения энергии. А суммарная величина импульса частиц, участвующего в каком-либо взаимодействии, и суммарное количество энергии, включающей их массы, будет полностью равным до начала взаимодействия и по его завершении. Третий базовый вид симметрии связан с ориентацией в пространстве. Смысл ее в том, что направление движения частиц, участвующих во взаимодействии (скажем, вдоль оси север-юг или запад-восток), никак не влияет на результат. Как следствие, суммарный момент импульса (состоящий из спинов отдельных частиц) всегда неизменен. Наконец, четвертый закон — закон сохранения электрического заряда. Он связан с более сложной симметрией (калибровочной инвариантностью), но его формулировка в качестве закона сохранения предельно проста: суммарный электрический заряд всех участвующих в столкновении частиц постоянен.

Есть еще несколько законов сохранения, связанных с симметриями в абстрактных математических пространствах, например закон сохранения электрического заряда. Некоторые соблюдаются во всех взаимодействиях, некоторые — только в определенных их видах (например, при сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не слабых). Соответствующие постоянные заряды можно рассматривать как «абстрактные». Поскольку они всегда принимают «целые» (±1, ±2) или «полуцелые» (±1/2, ±3/2, ±5/2 и т. д.) значения, они получили название квантовых чисел, по аналогии с атомной физикой. Каждая частица характеризуется определенным набором квантовых чисел, которые вместе с массой полностью ее описывают.

Например, адроны характеризуются такими параметрами, как «изоспин» и «гиперзаряд». Эти два квантовых числа неизменны во всех сильных взаимодействиях. Если мы расположим восемь мезонов, перечисленных в табл. 3, в соответствии со значениями этих двух квантовых чисел, то получим гексагональную структуру, известную в современной физике под названием «мезонный октет» (рис. 55). Мы наблюдаем несколько осей симметрии: частицы и античастицы занимают в шестиугольнике противоположные позиции, а две частицы в центре — античастицы друг для друга. Аналогичную структуру образуют восемь самых легких барионов. Она носит название «барионный октет» (рис. 56). Отличие в том, что в последнем случае античастицы не входят в структуру, а образуют идентичный ей антиоктет. Последний, девятый барион из нашей таблицы, омега, вместе с девятью резонансами входит в другую структуру — «барионную десятку» (рис. 57). Все частицы, принадлежащие той или иной симметричной структуре, имеют одинаковые квантовые числа, за исключением изоспина и гиперзаряда, от которых зависит их расположение внутри структуры. Так, все мезоны в октете имеют нулевой спин (не вращаются совсем); барионы в октете имеют спин, равный 1/2, а в барионной десятке — 3/2.