Лев Шильник - Космос и хаос. Что должен знать современный человек о прошлом, настоящем и будущем Вселенной
Физики немного лукавят, когда говорят, что электрон вращается вокруг атомного ядра, потому что в действительности ни о каком движении в привычном понимании этого слова здесь не может быть и речи: электрон не крутится, как заведенный, но находится в некотором определенном состоянии, которое описывается сложной волновой функцией. Иными словами, мы имеем право говорить только лишь о вероятности пребывания электрона в той или иной точке.
Закончим на этом наш короткий экскурс в квантовую механику и перейдем к рассмотрению элементарных частиц как таковых.
Если фотон или электрон бесспорно элементарны, то этого никак не скажешь о начинке атомного ядра – протонах и нейтронах, поскольку они имеют сложную внутреннюю структуру. Обе эти частицы представляют собой кварковые триплеты, то есть построены из более фундаментальных кирпичей – кварков, тех самых кварков, за открытие которых Мюррей Гелл-Манн был удостоен Нобелевской премии. Однако обо всем по порядку.
Основными свойствами всех без исключения элементарных частиц являются масса, заряд и спин. Масса частицы составляет часть ее полной энергии, потому что масса – это всего лишь другая ее форма. Масса может быть преобразована в энергию, и наоборот; взаимосвязь между этими двумя сторонами одной медали легко видеть в знаменитой формуле Альберта Эйнштейна Е = mс2, где Е – энергия, m – масса, а с – скорость света. Одни частицы имеют массу, а другие ее лишены. Например, физики говорят, что масса покоя фотона равняется нулю. Это просто-напросто означает, что покоящихся фотонов в природе не существует. Остается добавить, что распределение частиц по массам не подчиняется никакой внятной закономерности.
Электрический заряд – тоже знакомый зверь. С зарядом дело обстоит в точности так же, как и с массой: одни частицы его несут, а другие – нет. Частицы, не имеющие заряда, считаются электрически нейтральными. В отличие от массы, заряд бывает двух видов – положительный и отрицательный; заряды всех элементарных частиц кратны заряду электрона, за исключением кварков, заряд которых кратен 1/3 заряда электрона.
Спин элементарной частицы представляет собой некий внутренний момент ее вращения и пропорционален постоянной Планка. Если частица не вращается, ее спин равен нулю. Из соображений наглядности можно представить себе частицы в виде маленьких волчков или шариков, вращающихся вокруг своей оси, но всегда следует помнить, что подобная картина сугубо условна и не имеет с реальностью ничего общего. В квантовом мире элементарные частицы не имеют строго определенной оси вращения. Спин частицы дает нам представление о том, как она выглядит, если посмотреть на нее с разных сторон. Стивен Хокинг приводит хороший пример на этот счет.
Частица со спином 0 похожа на точку: она выглядит со всех сторон одинаково. Частицу со спином 1 можно сравнить со стрелой: с разных сторон она выглядит по-разному и принимает тот же вид лишь после полного оборота на 360°. Частицу со спином 2 можно сравнить со стрелой, заточенной с обеих сторон: любое ее положение повторяется после полуоборота (180°). Аналогичным образом частица с более высоким спином возвращается в первоначальное состояние при повороте на еще меньшую часть полного оборота. Это все довольно очевидно, а удивительно другое – существуют частицы, которые после полного оборота не принимают прежний вид: их нужно дважды полностью повернуть! Говорят, что такие частицы обладают спином 1/2.
Все известные элементарные частицы можно разделить на две группы в зависимости от величины спина, который они несут. Если спин выражается целым числом (0, 1, 2 и т. д.), то такие частицы называют бозонами, а если полуцелым (1/2, 3/2, 5/2 и т. д.) – фермионами. Эти названия образованы от фамилий двух известных физиков-теоретиков Сатиендра Бозе и Энрико Ферми. Все вещество во Вселенной построено из фермионов – частиц с полуцелым спином, а силы, действующие между частицами вещества, создаются бозонами, имеющими целочисленный спин. Спин электрона составляет 1/2, поэтому он попадает в группу фермионов.
В зависимости от их отношения к сильному взаимодействию (о четырех типах фундаментальных взаимодействий речь у нас впереди) фермионы, в свою очередь, подразделяются на два семейства. Те фермионы, которые принимают участие в процессах с сильным взаимодействием, называются кварками (протоны и нейтроны состоят из кварков), а все остальные, в сильных взаимодействиях не участвующие, – лептонами. Электрон входит в семейство лептонов; кроме него там помещаются еще пять частиц – электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тау-нейтрино и тау-лептон. Кварков тоже насчитывается шесть разновидностей – и-кварк, d-кварк, с-кварк, s-кварк, t-кварк и b-кварк. Таким образом, кирпичами мироздания, строительными блоками материи, которую мы повсеместно наблюдаем, являются 12 фундаментальных частиц – 6 кварков и 6 лептонов.
Среди бозонов, являющихся переносчиками фундаментальных взаимодействий и создающих силы, действующие между частицами вещества, наиболее известны фотоны, 8 разновидностей глюонов, 3 вида тяжелых векторных бозонов (W+-бозон, W--бозон и Z0-бозон) и пока еще не открытый гравитон.
Остается добавить, что в современной теории поля частицы выступают как мелкомасштабные волны соответствующих полей. Например, электромагнитное излучение может восприниматься и как волна (скажем, в случае радиоволн), и как частица (жесткие гамма-кванты). Если длина волны электромагнитного излучения значительно превышает размеры прибора, то она регистрируется как непрерывная волна, то есть бегущие колебания электрического и магнитного полей. В противном случае (при малой длине волны) прибор фиксирует свет в виде отдельных квантов – фотонов. Тогда говорят уже не о длине волны, а об энергии фотона. Классический пример корпускулярно-волнового дуализма.
Фермионы, из которых построено вещество Вселенной, – отнюдь не безучастные статисты на этом празднике жизни. Они взаимодействуют между собой, а в роли переносчиков взаимодействия (или сил, действующих между частицами вещества) выступают бозоны. Чтобы создать все многообразие явлений, природе потребовалось круглым счетом четыре типа взаимодействий – электромагнитное, слабое, сильное (или ядерное) и гравитационное. Имеются серьезные основания полагать, что первые три типа взаимодействий при некоторых условиях могут объединяться в одну силу, а раздельно они существуют только при низких уровнях энергии. К настоящему времени построена модель электрослабого взаимодействия (электромагнитное + слабое), а частицы-переносчики этой единой силы обнаружены экспериментально (три вида тяжелых векторных бозонов). Теория, объединяющая три силы в одну (электрослабое взаимодействие + сильное), называется теорией великого объединения, однако потребный для этого уровень энергий недоступен современным ускорителям. При еще более высоких энергиях собираются воедино все четыре силы природы. Такие условия существовали в очень юной Вселенной, когда мир еще только выпархивал из небытия.
Разберем четыре типа фундаментальных взаимодействий по порядку. Электрические и магнитные явления имеют общее происхождение и описываются в рамках электромагнитного взаимодействия, которое так или иначе связано с обменом или излучением фотонов (квантов электромагнитного излучения). Впервые это показал выдающийся английский физик Джеймс Максвелл еще в 1873 году. Электромагнитные силы действуют только между заряженными частицами (одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются). Радио, телевидение, сотовая связь и многие другие удобные и полезные вещи немыслимы без феномена электромагнетизма, поскольку эти силы, основанные на противоборстве двух полярных начал, способны распространяться на значительные расстояния. Более того, атомы и молекулы, из которых построено вещество, тоже обязаны своим существованием электромагнитному взаимодействию. Силы электромагнитного притяжения удерживают электроны внутри атомов, заставляя их вращаться вокруг атомного ядра. В роли переносчика электромагнитных сил выступает безмассовая частица со спином 1 – фотон (физики говорят, что масса покоя фотона равняется нулю).
Взаимодействие между двумя заряженными частицами (притягиваются они или отталкиваются, в данном случае роли не играет) представляет собой результат обмена большим числом так называемых виртуальных фотонов. В отличие от «реальных» частиц, их виртуальные сестры принципиально ненаблюдаемы, их невозможно зарегистрировать при помощи детектора. Поясним сказанное на примере. Вообразим себе некий закрытый контейнер, внутри которого ничего нет, – ни излучения, ни вещества. Другими словами, там содержится только вакуум, абсолютная пустота. Но чтобы удостовериться, что контейнер действительно пуст, мы должны осветить его нутро – послать туда луч света. А поскольку свет распространяется с конечной скоростью, процесс измерения займет некоторое время. Сказать с полной определенностью, что контейнер пуст, мы сможем только в тот момент, когда вернувшийся из контейнера световой пучок достигнет нашего детектора. При этом у нас нет никакой уверенности, что контейнер оставался пустым все время на протяжении процедуры измерения. Не исключено, что энергия вакуума могла колебаться (флуктуировать) около нуля, порождая короткоживущие частицы-призраки, которые гибнут раньше, чем мы успеваем их засечь. Они выныривают из пустоты и вновь прячутся в ней настолько стремительно, что мы не можем обнаружить их в принципе, даже если располагаем самой совершенной измерительной аппаратурой. Такие частицы принято называть виртуальными.
