Брайан Кокс - Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать
Гелл-Манн впоследствии писал, что сначала намеревался произносить это слово как «кворк» – именно так оно звучало в его голове до того, как он нашел цитату из «Поминок по Финнегану». Поскольку слово quark в этом стихотворении рифмуется со словами Mark и bark, это создавало определенные проблемы. В итоге Гелл-Манн решил заявить, что это слово может означать quart – «кварта», то есть единица объема жидкости, а не более привычное «крик чайки». Это позволило ему сохранить первоначальное произношение термина. По всей вероятности, мы так и не узнаем, как правильно произносить это слово. Открытие еще трех кварков, последним из которых в 1995 году стал так называемый истинный кварк, дало повод считать происхождение этого термина еще более неподходящим. Пожалуй, это должно послужить уроком будущим физикам, которые попытаются найти в литературе расплывчатые обозначения для своих открытий.
Несмотря на все злоключения с присвоением имени новой частице, Гелл-Манн оказался прав в своем предположении, что протоны и нейтроны состоят из более мелких объектов. Эта гипотеза получила подтверждение, когда кварки в конце концов были обнаружены с помощью ускорителя элементарных частиц в Стэнфорде в 1968 году, через четыре года после формулировки первоначального теоретического прогноза. Марри Гелл-Манн и авторы эксперимента, получившие доказательства существования кварков, были впоследствии удостоены Нобелевской премии за свою работу.
Помимо частиц материи, о которых мы только что говорили, а также таинственной частицы ϕ есть и несколько других частиц, о которых необходимо упомянуть, это W и Z, а также фотон и глюон. Для начала следует сказать пару слов о роли этих частиц. Они отвечают за взаимодействие между всеми остальными частицами. Если бы их не было, ничто во всей Вселенной не поддерживало бы ни с чем взаимодействия. Будем говорить, что их задача – переносить силу взаимодействия между частицами материи. Фотон – частица, которая отвечает за перенос этой силы между электрически заряженными частицами, такими как электроны и кварки. Фотон в прямом смысле слова лежит в основе всех физических законов, открытых Фарадеем и Максвеллом, а в качестве бонуса образует видимый свет, радиоволны, инфракрасное и микроволновое излучение, рентгеновские лучи и гамма-излучение. Представление о том, как поток фотонов, излучаемых электрической лампочкой, отскакивает от страницы этой книги и попадает в ваши глаза, которые являются не чем иным, как сложным детектором фотонов, совершенно правильное. Физик сказал бы, что фотон выступает в качестве инструмента электромагнитного взаимодействия. Глюон встречается в повседневной жизни не так часто, как вездесущий фотон, но его роль не менее важна. В центре каждого атома находится ядро. Атомное ядро – это шар, имеющий положительный электрический заряд (вспомните, что протоны – это электрически заряженные частицы, тогда как нейтроны – нет). Подобно тому что происходит, когда вы пытаетесь приблизить друг к другу одноименные полюсы магнита, все протоны отталкиваются друг от друга под влиянием электромагнитного взаимодействия. Они просто не желают соединяться друг с другом и предпочли бы разлететься в разные стороны. К счастью, это не случается, благодаря чему и существуют атомы. Глюон выступает в качестве связующего звена, которое «склеивает» протоны в атомном ядре друг с другом (клей на английском – glue, отсюда и название глюона). Кроме того, глюон отвечает за поддержание взаимодействия между кварками в составе протонов и нейтронов. Оно должно быть достаточно мощным, чтобы преодолеть электромагнитную силу отталкивания между протонами, поэтому его и называют сильным взаимодействием.
В данном контексте частицы W и Z можно объединить в одну группу. Частица W отвечает за взаимодействие, которое превращает протон в нейтрон в процессе образования дейтрона в сердце звезды. Превращение протонов в нейтроны (и наоборот) – не единственное, за что отвечает это слабое взаимодействие. Оно отвечает за сотни разных взаимодействий между существующими в природе элементарными частицами, многие из которых были изучены в ходе таких экспериментов, которые проводятся в CERN. Если не считать того, что благодаря частицам W и Z светит Солнце, они напоминают глюон – тем, что не так часто наблюдаются в повседневной жизни. Нейтрино поддерживают взаимодействие только посредством частиц W и Z, именно поэтому они столь неуловимы. Как мы видели в предыдущей главе, поток из многих миллиардов нейтрино каждую секунду пронизывает вашу голову, но вы при этом ничего не чувствуете, поскольку взаимодействие, которое переносят частицы W и Z, очень слабое. Наверное вы уже догадались, что мы назвали его слабым взаимодействием.
До настоящего момента мы всего лишь быстро прошлись по списку частиц, которые «обитают» в основном уравнении. Эти 12 частиц материи должны быть априори включены в теорию, хотя на самом деле мы даже не знаем, почему их именно столько. Благодаря наблюдениям процесса распада частиц Z на нейтрино, которые проводились в 1990-х годах в CERN, у нас действительно есть доказательства того, что таких частиц 12. С другой стороны, для создания Вселенной, по всей видимости, достаточно всего четырех частиц (таких как верхний и нижний кварки, электрон и электронное нейтрино), поэтому существование остальных восьми частиц остается загадкой. Мы считаем, что они сыграли важную роль на раннем этапе формирования Вселенной, но как именно они проявляли или проявляют свое действие в современной жизни – один из главных вопросов физики, ответ на который пока не найден.
Что касается стандартной модели, то все упомянутые в ее центральном уравнении двенадцать частиц – это элементарные частицы, которые не могут быть разделены на более мелкие части и представляют собой неделимые структурные элементы. Пожалуй, это действительно противоречит здравому смыслу: на первый взгляд было бы вполне естественным предположить, что любую маленькую частицу можно (теоретически) разделить пополам. Однако квантовая теория работает совсем не так, а наш здравый смысл и в этот раз нельзя назвать хорошим ориентиром в области фундаментальной физики. Согласно стандартной модели эти частицы не имеют субструктуры. Их называют «точечными» и считают конечным элементом материи. В свое время вполне может оказаться, что в ходе какого-либо эксперимента будет обнаружена возможность расщепления кварка на более мелкие фрагменты. Однако все дело в том, что так быть не должно: точечные частицы действительно могут оказаться неделимыми, и тогда вопросы об их субструктуре станут бессмысленными. Таким образом, мы имеем группу частиц, из которых построен наш мир, а также основное уравнение – ключ к пониманию того, как эти частицы взаимодействуют друг с другом.
Однако мы не упомянули об одном тонком моменте: хотя мы постоянно говорим о частицах, на самом деле это не совсем корректный термин. Это не частицы в общепринятом значении этого слова. Они не перемещаются в пространстве, отскакивая друг от друга, подобно миниатюрным бильярдным шарам. Вместо этого они взаимодействуют друг с другом наподобие того, как взаимодействуют волны на поверхности воды, создавая тени на дне бассейна. Эти частицы имеют волновые характеристики, оставаясь при этом частицами. Такая картина весьма парадоксальна и вытекает из квантовой теории. Точная природа волновых взаимодействий строго (то есть математически) задается основным уравнением. Но откуда мы знали, что именно необходимо включить в это уравнение, когда писали его? По каким принципам оно построено? Прежде чем заняться этими важными вопросами, давайте глубже проанализируем основное уравнение и попытаемся понять, что именно оно означает.
Первая строка уравнения описывает кинетическую энергию, которая переносится частицами W и Z, фотоном и глюоном, и говорит нам о том, как они взаимодействуют друг с другом. Мы еще не обсуждали эту возможность, но она существует: глюоны могут вступать во взаимодействие с другими глюонами, а частицы W и Z могут взаимодействовать между собой. Частица W может также взаимодействовать с фотоном. В этом перечне отсутствует возможность взаимодействия фотонов с фотонами, поскольку оно не происходит. И это большая удача, иначе нам было бы трудно что-либо увидеть. То, что вы можете читать эту книгу, – в каком-то смысле удивительный факт. Дело в том, что свет, исходящий от этой страницы, не отклоняется от пути к вашим глазам под воздействием пересекающего этот путь света от других окружающих вас объектов, которые вы могли бы увидеть, повернув голову. Фотоны буквально проскакивают мимо, не обращая внимания друг на друга.
