Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Питер Эткинз

Что их удерживает? На нейтроны не действует никакая электрическая сила, поэтому они должны притягиваться чем-то еще. Коротко говоря, раз большинство ядер не распадается, и раз большинство из них удерживает свои нейтроны, должна существовать сила, превосходящая электромагнитную силу, которая действует между протонами, между нейтронами и между протонами и нейтронами. Кроме того, поскольку все вещество во Вселенной не свернулось в одно огромное ядро, это притягивающее сильное взаимодействие должно иметь очень короткий радиус действия, не превосходящий примерно диаметра ядра.

Здесь я должен сделать предупреждающее замечание. Нейтроны и протоны являются составными частицами, сложенными из кварков (см. ниже). То, что мы рассматриваем в действительности, является не чистым взаимодействием между нуклонами — общим результатом притяжения между одними компонентами и отталкивания между другими, — а более детализированным взаимодействием между их индивидуальными составляющими. А в этом может заключаться огромная разница. Например, вы и я, даже в тесных объятьях, имеем фактически нулевую электромагнитную силу, действующую между нами, несмотря на то, что ядра наших атомов сильно отталкиваются друг от друга, и наши электроны тоже друг от друга сильно отталкиваются: эти сильные отталкивания аннулируются сильными притяжениями между вашими и моими электронами и ядрами (рис. 6.9). Поэтому, если мы думаем о нас с вами, как о двух композициях частиц, то факт, что наше результирующее электромагнитное взаимодействие равно нулю, аннулирует тот факт, что наши компоненты имеют очень сильное дальнодействующее взаимодействие.

Рис. 6.9. Здесь показан необычайно тонкий баланс между двумя электрически нейтральными телами, состоящими из электронов (серый фон) и ядер (черные точки). Сила отталкивания между электронами в двух таких шарах с водой (представляющих человеческие тела в тесных объятиях) составляет триллионы и триллионы ньютонов (Н, единица силы; один ньютон приблизительно равен силе тяготения, действующей на стограммовое яблоко на дереве). Отталкивающая сила между ядрами имеет такое же значение. Однако притяжение между электронами одного тела и атомами другого также составляет триллионы и триллионы ньютонов, и по счастливой случайности отталкивание и притяжение в точности компенсируют друг друга. Это означает, что между нами в результате нет ни притяжения, ни отталкивания.

Подобным же образом конечное взаимодействие между ядрами, которые являются составными частицами, может быть совершенно отличным от силы, действующей между составляющими их кварками. Это и в самом деле так. Остаточная сила, действующая между нуклонами, имеет очень короткий радиус действия, диаметр ядра. Однако силы, действующие между индивидуальными кварками, действительно «сильные», имеют бесконечный радиус действия, а их частицы-переносчики взаимодействия являются безмассовыми бозонами и называются глюонами. В отличие от знакомых сил, сильное взаимодействие становится сильнее с возрастанием расстояния между кварками. Позднее мы более подробно исследуем глюоны и «сильные заряды» этого вывернутого наизнанку мира.

Я не ожидаю от вас догадок о существовании слабого взаимодействия или каких-либо его свойств. Слабые силы были предложены, чтобы объяснить определенные виды радиоактивного распада. Хотя об этом лучше всего думать на языке кварков, конечное действие этой силы можно вообразить как влияние, которое медленно дергает нейтрон и, вырывая из него электрон, превращает в протон. Электрон выскакивает из ядра и порождает форму радиоактивности, известную как β-распад (бета-распад). Слабая сила имеет очень короткий радиус действия, меньший, чем диаметр ядра. Она передается частицами, которые называются W и Z векторными бозонами с массами около восемнадцати и девятнадцати масс протона соответственно.

В целом частицы-переносчики взаимодействия называют калибровочными частицами. Происхождение этого странного и сухого названия вскоре станет ясным. А пока достаточно будет сказать, что фотон, гравитон, векторные бозоны и глюоны являются калибровочными частицами, и это первый из получаемых нами намеков на то, что фундаментальные силы имеют общий источник. И в самом деле, начатая Максвеллом унификация сил дошла до объединения электромагнитного и слабого «взаимодействий в единую силу, называемую электрослабым взаимодействием. Эта унификация является проявлением симметрии, и мы еще вернемся к ней, когда познакомимся с зоопарком частиц более подробно.

Зоопарк делится на два больших парка. В одном парке бродят «адроны», в другом «лептоны». Адроны являются частицами, которые участвуют в сильном взаимодействии. В парке адронов мы рассмотрим только сами кварки, поскольку все причудливые творения, гуляющие там (протоны, нейтроны и много других занятных диковин), строятся из этих кварков посредством законов, основанных на специальном виде симметрии. Возможно, вы слыхали в этой связи о восьмеричном пути[24] (рис. 6.10). Восьмеричный путь представляет собой род периодической таблицы адронов, в которой они классифицируются на основе специальной группы преобразований симметрии. Протон и нейтрон принадлежат одному семейству, и мы можем рассматривать их родство через изоспин как аналог триады (в данном случае диаду) Доберейнера для частиц, фрагмент узора общей классификации. Лептонами являются все остальные частицы: они являются частицами, не участвующим в сильном взаимодействии.

Рис. 6.10. Восьмеричный путь — это способ классификации и соотнесения элементарных частиц, довольно похожий на периодическую таблицу химических элементов. Здесь мы видим график для восьми частиц (только протон p и нейтрон n, видимо, нам знакомы, но они являются экзотическими единоутробными братьями), где по одной оси отложен изоспин (обсуждавшийся в тексте), а по другой оси — еще один вид внутренней симметрии, называемый гиперзарядом. Этим «путем» восемь частиц оказываются связанными. Более изощренные схемы улавливают и другие частицы.

Довольно любопытен и требует объяснения факт, что существуют три семейства адронов и три семейства лептонов (рис. 6.11). Как это случается и с типичными семействами в реальной жизни, три семейства частиц состоят из двух групп частиц, которые образуют два поколения.

Давайте сначала посмотрим на лептоны. Одно семейство содержит электрон и электронное нейтрино, другое — мюон и его нейтрино, а третье — тау-частицу (тау-лептон) и ее нейтрино. Нейтрино имеет очень маленькую массу — много меньшую, чем масса электрона, — а возможно, даже равную нулю; пока никто точно не знает. Нейтрино не имеют заряда, обладают очень малой массой, но спин у них равен одной второй. Чтобы эти три типа нейтрино различались, у них должно быть и другое свойство; за неимением лучшего слова его назвали ароматом. Поэтому нейтрино являются почти безмассовыми, спиновыми и ароматными. Мюон похож на умеренно утяжеленный электрон, с таким же зарядом и спином, но в 204 раза тяжелее, настолько тяжелее электрона, насколько шар для боулинга тяжелее шарика для пинг-понга. Тау-лептон намного более тяжел и имеет вес около 3500 электронов, настолько тяжелее электрона, насколько большая собака тяжелее шарика для пинг-понга.

Существуют также античастицы этих частиц. Античастицы — частицы антивещества — представляют особый интерес для писателей-фантастов из-за экзотического звучания их наименования. Они не экзотичны: оно просто довольно редки. Античастицы имеют все свойства соответствующих частиц, но противоположный знак заряда. Например, античастицей электрона является положительно заряженный позитрон с такой же массой и спином, как у электрона. Один из вопросов, которые мы должны будем рассмотреть: почему вокруг нас так мало антивещества, почему во Вселенной существует асимметрия между веществом и антивеществом?

Первое семейство Второе семейство Третье семейство Частица Масса Частица Масса Частица Масса Лептоны Электрон 0,00054 Мюон 0,11 Тау 1,9 Электронное нейтрино <10-8 Мюонное нейтрино <0,0003 Тау-нейтрино <0,033 Адроны u-кварк 0,0047 с-кварк 1,6 t-кварк 189,0 d-кварк 0,0074 s-кварк 0,16 b-кварк 5,2

Рис. 6.11. Таблица трех семейств элементарных частиц, показывающая два поколения лептонов и адронов (кварков) в каждом случае. Массы измеряются в единицах массы протона.