Элементарныечастицыисилывприроде

Аристотельсчитал, чтовеществовоВселеннойсостоитизчетырехосновныхэлементов – земли, воздуха, огняиводы, накоторыедействуютдвесилы: силатяжести, влекущаяземлюиводувниз, исилалегкости, поддействиемкоторойогоньивоздухстремятсявверх. ТакойподходкстроениюВселенной, когдавседелитсянавеществоисилы, сохраняетсяипосейдень.

ПоАристотелю, веществонепрерывно, т. е. любойкусоквеществаможнобесконечнодробитьнавсеменьшиеименьшиекусочки, такинедойдядотакойкрошечнойкрупинки, котораядальшебыуженеделилась. Однаконекоторыедругиегреческиефилософы, напримерДемокрит, придерживалисьмнения, чтоматерияпосвоейприродеимеетзернистуюструктуруивсевмиресостоитизбольшогочисларазныхатомов (греческоеслово «атом» означаетнеделимый). Проходиливека, носпорпродолжалсябезвсякихреальныхдоказательств, которыеподтверждалибыправотутойилидругойстороны. Наконец, в 1803 г. английскийхимикифизикДжонДальтонпоказал, чтототфакт, чтохимическиевеществавсегдасоединяютсявопределенныхпропорциях, можнообъяснить, предположив, чтоатомыобъединяютсявгруппы, которыеназываютсямолекулами. Однакодоначаланашеговекаспормеждудвумяшколамитакинебылрешенвпользуатомистов. ВразрешениеэтогоспораоченьважныйвкладвнесЭйнштейн. Всвоейстатье, написаннойв 1905 г., занескольконедельдознаменитойработыоспециальнойтеорииотносительности, Эйнштейнуказалнато, чтоявление, носящееназваниеброуновскогодвижения, – нерегулярное, хаотическоедвижениемельчайшихчастичек, взвешенныхвводе, – можнообъяснитьударамиатомовжидкостиобэтичастички.

Ктомувремениужеимелисьнекоторыеоснованияподумыватьотом, чтоиатомытожененеделимы. НесколькимигодамираньшеДж. Дж. ТомсонизТринити-колледжавКембриджеоткрылновуючастицуматерии – электрон, массакоторогоменьшеоднойтысячноймассысамоголегкогоатома. ЭкспериментальнаяустановкаТомсонанемногонапоминаласовременныйтелевизионныйкинескоп. Раскаленнаядокраснаметаллическаянитьслужилаисточникомэлектронов. Посколькуэлектронызаряженыотрицательно, ониускорялисьвэлектрическомполеидвигалисьвсторонуэкрана, покрытогослоемлюминофора. Когдаэлектроныпадалинаэкран, нанемвозникаливспышкисвета. Вскоресталопонятно, чтоэтиэлектроныдолжнывылетатьизатомов, ив 1911 г. английскийфизикЭрнстРезерфорднаконецдоказал, чтоатомывеществадействительнообладаютвнутреннейструктурой: онисостоятизкрошечногоположительнозаряженногоядраивращающихсявокругпегоэлектронов. Резерфордпришелкэтомувыводу, изучая, какотклоняютсяальфа-частицы (положительнозаряженныечастицы, испускаемыеатомамирадиоактивныхвеществ) пристолкновениисатомами.

Вначаледумали, чтоядроатомасостоитизэлектроновиположительнозаряженных частиц, которыеназвалипротонами (отгреческогослово «протос» – первичный), потомучто протонысчиталисьтемифундаментальнымиблоками, изкоторыхсостоитматерия. Однаков 1932 г. ДжеймсЧедвик, коллегаРезерфордапоКембриджскомууниверситету, обнаружил, чтовядреимеютсяещеидругиечастицы – нейтроны, массакоторыхпочтиравнамассепротона, нокоторыенезаряжены. ЗаэтооткрытиеЧедвикбылудостоенНобелевскойпремииивыбранглавойКонвилл-энд-Кайус-колледжаКембриджскогоуниверситета (колледж, вкоторомясейчасработаю). Потомемупришлосьотказатьсяотэтогопостаиз-заразногласийссотрудниками. Вколледжепостояннопроисходилиожесточенныеспоры, которыеначалисьстехпор, какпослевойныгруппавернувшейсямолодежипроголосовалапротивтого, чтобыстарыесотрудникиоставалисьнасвоихдолжностях, которыеониужемноголетзанимали. Всеэтопроисходилоещедоменя; яначалработатьвколледжев 1965 г. изасталсамыйконецборьбы, когдадругойглаваколледжа, нобелевскийлауреатНевиллМотт, вынужденбылтожеуйтивотставку.

Ещелетдвадцатьназадпротоныинейтронысчитались «элементарными» частицами, ноэкспериментыповзаимодействиюпротоновиэлектронов, движущихсясбольшимискоростями, спротонамипоказали, чтонасамомделепротонысостоятизещеболеемелкихчастиц. МюррейГелл-Манн, теоретикизКалифорнийскоготехнологическогоинститута, назвалэтичастицыкварками. В 1969 г. заисследованиекварковГелл-МаннбылудостоенНобелевскойпремии. Название «кварк» взятоиззаумнойстихотворнойстрокиДжеймсаДжойса: «ТрикваркадлямастераМарка!». Поидее, слово quark должнопроизноситьсятакже, какслово quart (куорт), вкоторойбуква t наконцезамененабуквой k, нообычноегопроизносяттак, чтоонорифмуетсясословом lark.

Известнонесколькоразновидностейкварков: предполагают, чтосуществуетпокрайнеймерешесть «ароматов», которымотвечают u-кварк, d-кварк, странныйкварк, очарованныйкварк, b-кварки t-кварк. Кварккаждого «аромата» можетбытьещеитрех «цветов» – красного, зеленогоисинего. (Следуетподчеркнуть, чтоэтопростообозначения, таккакразмеркварковзначительноменьшедлиныволнывидимогосветаипоэтомуцветавобычномсмыслесловаунихнет. Делопростовтом, чтосовременнымфизикамнравитсяпридумыватьназванияновыхчастициявлений, неограничиваябольшесвоюфантазиюгреческималфавитом). Протонинейтронсостоятизтрехкварковразных «цветов». Впротонесодержитсядва u-кваркаиодин d-кварк, внейтроне – два d-кваркаиодин u-кварк. Частицыможностроитьииздругихкварков (странного, очарованного, b и t), новсеэтикваркиобладаютгораздобольшеймассойиоченьбыстрораспадаютсянапротоныинейтроны.

Мыужезнаем, чтониатомы, нинаходящиесявнутриатомапротоныснейтронаминеявляютсянеделимыми, апотомувозникаетвопрос: чтожетакоенастоящиеэлементарныечастицы – теисходныекирпичи, изкоторыхвсесостоит? Посколькудлинысветовыхволнсущественнобольшеразмероватома, унаснетнадежды «увидеть» составныечастиатомаобычнымспособом. Дляэтойцелинеобходимызначительноменьшиедлиныволн. Впредыдущейглавемыузнали, что, согласноквантовоймеханике, всечастицынасамомделеявляютсяещеиволнамиичемвышеэнергиячастицы, темменьшесоответствующаядлинаволны. Такимобразом, нашответнапоставленныйвопросзависитоттого, наскольковысокаэнергиячастиц, имеющихсявнашемраспоряжении, потомучтоеюопределяетсянасколькомалмасштабтехдлин, которыемысможемнаблюдать. Единицы, вкоторыхобычноизмеряетсяэнергиячастиц, называютсяэлектронвольтами. (Томсонвсвоихэкспериментахдляускоренияэлектроновиспользовалэлектрическоеполе. Электронвольт – этоэнергия, которуюприобретаетэлектронвэлектрическомполевеличиной 1 вольт). В XIX в., когдаумелииспользоватьтолькочастицысэнергиямивнесколькоэлектронвольт, выделяющимисявхимическихреакцияхтипагорения, атомысчиталисьсамымимелкимичастямиматерии. ВэкспериментахРезерфордаэнергииальфа-частицсоставлялимиллионы электронвольт. Затеммынаучилисьспомощьюэлектромагнитныхполейразгонятьчастицы сначаладоэнергийвмиллионы, апотомивтысячимиллионовэлектронвольт. Такмы узнали, чточастицы, которыедвадцатьлетназадсчиталисьэлементарными, насамомделесостоятизменьшихчастиц. Ачтоеслиприпереходекещеболеевысокимэнергиямокажется, чтоиэтименьшиечастицывсвоюочередьсостоятизещеменьших? Конечно, этовполневероятнаяситуация, ноунассейчасестьнекоторыетеоретическиеоснованиясчитать, чтомыужевладеемилипочтивладеемсведениямиобисходных «кирпичиках», изкоторыхпостроеновсевприроде.

Все, чтоестьвоВселенной, втомчислесветигравитацию, можноописывать, исходяизпредставленияочастицах, сучетомчастично-волновогодуализма, окотороммыговориливпредыдущейглаве. Частицыжеимеютнекуювращательнуюхарактеристику – спин (spin – вращаться, крутиться (англ.). – прим. перев.).

Представимсебечастицыввидемаленькихволчков, вращающихсявокругсвоейоси. Правда, такаякартинаможетввестивзаблуждение, потомучтовквантовоймеханикечастицынеимеютвполнеопределеннойосивращения. Насамомделеспинчастицыдаетнамсведенияотом, каквыглядитэтачастица, еслисмотретьнанеесразныхсторон. Частицасоспином 0 похожанаточку: онавыглядитсовсехсторонодинаково (рис. 5.1, I). Частицусоспином 1 можносравнитьсострелой: сразныхсторононавыглядитпо-разному (рис. 5.1, II) ипринимаеттотжевидлишьпослеполногооборотана 360 град. Частицусоспином 2 можносравнитьсострелой, заточеннойсобеихсторон: любоеееположениеповторяетсяпослеполуоборота (180 град.). Аналогичнымобразомчастицасболеевысокимспиномвозвращаетсявпервоначальноесостояниеприповоротенаещеменьшуючастьполногооборота. Этовседовольноочевидно, аудивительнодругое – существуютчастицы, которыепослеполногооборотанепринимаютпрежнийвид: ихнужнодваждыполностьюповернуть! Говорят, чтотакиечастицыобладаютспином 1/2.

ВсеизвестныечастицывоВселеннойможноразделитьнадвегруппы: частицысоспином 1/2, изкоторыхсостоитвеществовоВселенной, ичастицысоспином 0, 1 и 2, которые, какмыувидим, создаютсилы, действующиемеждучастицамивещества. ЧастицывеществаподчиняютсятакназываемомупринципузапретаПаули, открытомув 1925 г. австрийскимфизикомВольфгангомПаули. В 1945 г. ПаулизасвоеоткрытиебылудостоенНобелевскойпремии. Онявлялсобойидеальныйпримерфизика-теоретика: говорят, чтоодноегоприсутствиевгороденарушалоходвсехэкспериментов! ПринципПаулигласит, чтодвеодинаковыечастицынемогутсуществоватьводномитомжесостоянии, т. е. немогутиметькоординаты искорости, одинаковыестойточностью, котораязадается принципомнеопределенности. ПринципПаулиимееткрайневажноезначение, таккакон позволилобъяснить, почемуподдействиемсил, создаваемыхчастицамисоспином 0, 1, 2, частицыматериинеколлапсируютвсостояниесоченьвысокойплотностью: есличастицывеществаимеюточеньблизкиезначениякоординат, тоихскоростидолжныбытьразными, и, следовательно, онинесмогутдолгонаходитьсявточкахсэтимикоординатами. ЕслибывсотворениимиранеучаствовалпринципПаули, кваркинемоглибыобъединитьсявотдельные, четкоопределенныечастицы – протоныинейтроны, которыевсвоюочередьнесмоглибы, объединившисьсэлектронами, образоватьотдельные, четкоопределенныеатомы. БезпринципаПауливсеэтичастицысколлапсировалибыипревратилисьвболееилименееоднородноеиплотное «желе».

Правильноепредставлениеобэлектронеидругихчастицахсоспином 1/2 отсутствовалодо 1928 г., когдаПольДиракпредложилтеориюдляописанияэтихчастиц. ВпоследствииДиракполучилкафедруматематикивКембридже (которуювсвоевремязанималНьютоникоторуюсейчасзанимаюя). ТеорияДиракабылапервойтеориейтакогорода, котораясогласоваласьисквантовоймеханикой, исоспециальнойтеориейотносительности. Внейдавалосьматематическоеобъяснениетого, почемуспинэлектронаравен 1/2, т. е. почемуприоднократномполномоборотеэлектронаоннепринимаетпрежнийвид, апридвукратномпринимает. ТеорияДиракапредсказывалатакже, чтоуэлектронадолженбытьпартнер – антиэлектрон, или, иначе, позитрон. Открытиепозитронав 1932 г. подтвердилотеориюДирака, ив 1933 г. онполучилНобелевскуюпремиюпофизике. Сейчасмызнаем, чтокаждойчастицесоответствуетантичастица, скоторойонаможетаннигилировать. (Вслучаечастиц, обеспечивающихвзаимодействие, частицаиантичастица – одноитоже). Моглибысуществоватьцелыеантисловаиантилюди, состоящиеизантичастиц. Новстретивантисебя, невздумайтепоздороватьсяснимзаруку! Возникнетослепительнаявспышкасвета, ивыобаисчезнете. Чрезвычайноваженвопрос, почемувокругнасгораздобольшечастиц, чемантичастиц. Мыкнемуещевернемсявэтойглаве.

Вквантовоймеханикепредполагается, чтовсесилы, иливзаимодействия, междучастицамивеществапереносятсячастицамисцелочисленнымспином, равным 0, 1 или 2. Частицавещества, напримерэлектрониликварк, испускаетчастицу, котораяявляетсяпереносчикомвзаимодействия. Врезультатеотдачискоростьчастицывеществаменяется. Затемчастица-переносчикналетаетнадругуючастицувеществаипоглощаетсяею. Этосоударениеизменяетскоростьвторойчастицы, какбудтомеждуэтимидвумячастицамивеществадействуетсила.

Частицы-переносчикивзаимодействияобладаютоднимважнымсвойством: онинеподчиняютсяпринципузапретаПаули. Этоозначаетотсутствиеограниченийдлячислаобмениваемыхчастиц, такчтовозникающаясилавзаимодействияможетоказатьсябольшой. Ноеслимассачастиц-переносчиковвелика, тонабольшихрасстоянияхихрождениеиобменбудутзатруднены. Такимобразом, переносимыеимисилыбудуткороткодействующими. Еслижечастицы-переносчикинебудутобладатьсобственноймассой, возникнутдальнодействующиесилы. Частицы-переносчики, которымиобмениваютсячастицывещества, называютсявиртуальными, потомучтовотличиеотреальныхихнельзянепосредственнозарегистрироватьприпомощидетекторачастиц. Однакомызнаем, чтовиртуальныечастицысуществуют, потомучтоонисоздаютэффекты, поддающиесяизмерению: благодарявиртуальнымчастицамвозникаютсилы, действующиемеждучастицамивещества. Принекоторыхусловияхчастицысоспинами 0, 1, 2 существуютикакреальные; тогдаихможнонепосредственнозарегистрировать. Сточкизренияклассическойфизикитакиечастицывстречаютсянамввидеволн, скажемсветовыхилигравитационных. Онииногдаиспускаютсяпривзаимодействиичастицвещества, протекающемзасчетобменачастицами-переносчикамивзаимодействия. (Например, электрическаясилавзаимногоотталкиваниямеждудвумяэлектронамивозникаетзасчетобменавиртуальнымифотонами, которыенельзянепосредственнозарегистрировать. Ноеслиэлектроныпролетаютдругмимо друга, товозможноиспусканиереальныхфотонов, которыебудутзарегистрированыкак световыеволны).

Частицы-переносчикиможноразделитьначетыретипавзависимостиотвеличиныпереносимогоимивзаимодействияиоттого, скакимичастицамионивзаимодействовали. Подчеркнем, чтотакоеразделениесовершенноискусственно; этосхема, удобнаядляразработкичастныхтеорий, ничегоболеесерьезноговней, вероятно, нет. Большинствофизиковнадеется, чтовконцеконцовудастсясоздатьединуютеорию, вкоторойвсечетыресилыоказалисьбыразновидностямиоднойитойжесилы. Многиедажевидятвэтомглавнуюцельсовременнойфизики. Недавноувенчалисьуспехомпопыткиобъединениятрехсил. Вэтойглавеяещесобираюсьонихрассказать. Отом, какобстоитделосвключениемвтакоеобъединениегравитации, мыпоговоримнемногопозже.

Итак, перваяразновидностьсил – гравитационнаясила. Гравитационныесилыносятуниверсальныйхарактер. Этоозначает, чтовсякаячастицанаходитсяподдействиемгравитационнойсилы, величинакоторойзависитотмассыилиэнергиичастицы. Гравитациягораздослабеекаждойизоставшихсятрехсил. Этооченьслабаясила, которуюмывообщенезаметилибы, еслибынедваееспецифическихсвойства: гравитационныесилыдействуютнабольшихрасстоянияхивсегдаявляютсясиламипритяжения. Следовательно, оченьслабыегравитационныесилывзаимодействияотдельныхчастицвдвухтелахбольшогоразмера, таких, например, какЗемляиСолнце, могутвсуммедатьоченьбольшуюсилу. Триостальныхвидавзаимодействиялибодействуюттольконамалыхрасстояниях, либоявляютсятоотталкивающими, топритягивающими, чтоприводитвобщемккомпенсации. Вквантово-механическомподходекгравитационномуполюсчитается, чтогравитационнаясила, действующаямеждудвумячастицамиматерии, переноситсячастицейсоспином 2, котораяназываетсягравитоном. Гравитоннеобладаетсобственноймассой, ипоэтомупереносимаяимсилаявляетсядальнодействующей. ГравитационноевзаимодействиемеждуСолнцемиЗемлейобъясняетсятем, чточастицы, изкоторыхсостоятЗемляиСолнце, обмениваютсягравитонами. Несмотрянаточтовобменеучаствуютлишьвиртуальныечастицы, создаваемыйимиэффектбезусловноподдаетсяизмерению, потомучтоэтотэффект – вращениеЗемливокругСолнца! Реальныегравитоныраспространяютсяввидеволн, которыевклассическойфизикеназываютсягравитационными, ноониоченьслабые, иихтактруднозарегистрировать, чтопокаэтоникомунеудалосьсделать.

Следующийтипвзаимодействиясоздаетсяэлектромагнитнымисилами, которыедействуютмеждуэлектрическизаряженнымичастицами, как, например, электроныикварки, нонеотвечаютзавзаимодействиетакихнезаряженныхчастиц, какгравитоны. Электромагнитныевзаимодействиягораздосильнеегравитационных: электромагнитнаясила, действующаямеждудвумяэлектронами, примерновмиллионмиллионовмиллионовмиллионовмиллионовмиллионовмиллионов (единицассорокадвумянулями) разбольшегравитационнойсилы. Носуществуютдвавидаэлектрическогозаряда – положительныйиотрицательный. Междудвумяположительнымизарядамитакже, какимеждудвумяотрицательными, действуетсилаотталкивания, амеждуположительнымиотрицательнымзарядами – силапритяжения. Вбольшихтелах, напримервЗемлеилиСолнце, содержаниеположительныхиотрицательныхзарядовпочтиодинаково, и, следовательно, силыпритяженияиотталкиванияпочтикомпенсируютдругдруга, иостаетсяоченьмалаячистоэлектромагнитнаясила. Однаковмалыхмасштабахатомовимолекулэлектромагнитныесилыдоминируют. Поддействиемэлектромагнитногопритяжениямеждуотрицательнозаряженнымиэлектронамииположительнозаряженнымипротонамивядреэлектроныватомевращаютсявокругядравточноститакже, какподдействиемгравитационногопритяженияЗемлявращаетсявокругСолнца. Электромагнитноепритяжениеописываетсякакрезультатобменабольшимчисломвиртуальныхбезмассовыхчастицсоспином 1, которыеназываютсяфотонами.Какивслучаегравитонов, фотоны, осуществляющиеобмен, являютсявиртуальными, ноприпереходеэлектронасоднойразрешеннойорбитынадругую, расположеннуюближекядру, освобождаетсяэнергия, иврезультатеиспускаетсяреальныйфотон, которыйприподходящейдлиневолныможнонаблюдатьчеловеческимглазомкаквидимыйсвет, илижеспомощьюкакого-нибудьдетекторафотонов, напримерфотопленки. Аналогичнымобразомприсоударенииреальногофотонасатомомможетпроизойтипереходэлектронасоднойорбитынадругую, болеедалекуюотядра. Этотпереходпроисходитзасчетэнергиифотона, которыйпоглощаетсяатомом. Взаимодействиетретьеготипаназываетсяслабымвзаимодействием. Оноотвечаетзарадиоактивностьисуществуетмеждувсемичастицамивеществасоспином 1/2, новнемнеучаствуютчастицысоспином 0, 1, 2 – фотоныигравитоны. До 1967 г. свойстваслабыхсилбылиплохоизучены, ав 1967 г. АбдусСалам, теоретикизЛондонскогоИмпериал-колледжа, иСтивенВайнбергизГарвардскогоуниверситетаодновременнопредложилитеорию, котораяобъединяласлабоевзаимодействиесэлектромагнитныманалогичнотому, какнастолетраньшеМаксвеллобъединилэлектричествоимагнетизм. ВайнбергиСаламвысказалипредположениеотом, чтовдополнениекфотонусуществуютещетричастицысоспином 1, которыевсевместеназываютсятяжелымивекторнымибозонамииявляютсяпереносчикамислабоговзаимодействия. Этибозоныбылиобозначенысимволами W+, W– и Z0, массакаждогоизнихсоставляла 100 ГэВ (ГэВозначаетгигаэлектронвольт, т. е. тысячамиллионовэлектронвольт). ТеорияВайнберга-Саламаобладаетсвойствомтакназываемогоспонтанногонарушениясимметрии. Оноозначает, чточастицы, совершенноразныепринизкихэнергиях, привысокихэнергияхоказываютсянасамомделеоднойитойжечастицей, нонаходящейсявразныхсостояниях. Этовкаком-тосмыслепохоженаповедениешарикаприигреврулетку. Привсехвысокихэнергиях (т. е. прибыстромвращенииколеса) шарикведетсебявсегдапочтиодинаково – безостановочновращается. Нокогдаколесозамедлится, энергияшарикауменьшается, ивконцеконцовонпроваливаетсяводнуизтридцатисемиканавок, имеющихсянаколесе. Инымисловами, принизкихэнергияхшарикможетсуществоватьвтридцатисемисостояниях. Еслибымыпочему-либомоглинаблюдатьшариктолькопринизкихэнергиях, тосчиталибы, чтосуществуеттридцатьсемьразныхтиповшариков!

ТеорияВайнберга-Саламапредсказывала, чтоприэнергиях, значительнопревышающих 100 ГэВ, триновыечастицыифотондолжнывестисебяодинаково, априболеенизкихэнергияхчастиц, т. е. вбольшинствеобычныхситуаций, эта «симметрия» должнанарушаться. Массы W+, W– и Z0 бозоновпредсказывалисьбольшими, чтобысоздаваемыеимисилыимелиоченьмалыйрадиусдействия. КогдаВайнбергиСаламвыдвинулисвоютеорию, иммалоктоверил, анамаломощныхускорителяхтехвременневозможнобылодостичьэнергиив 100 ГэВ, необходимойдлярожденияреальных W+, W– и Z0 частиц. Однаколетчерездесятьпредсказания, полученныевэтойтеориипринизкихэнергиях, настолькохорошоподтвердилисьэкспериментально, чтоВайнбергуиСаламубылаприсужденаНобелевскаяпремия 1979 г. совместносШелдономГлэшоу (тожеизГарварда), которыйпредложилпохожуюединуютеориюэлектромагнитныхислабыхядерныхвзаимодействии. КомитетпоНобелевскимпремиямбылизбавленотнеприятностей, которыемоглибывозникнуть, еслибыоказалось, чтоонсовершилошибкусделаннымв 1983 г. вЦЕРНеоткрытиемтрехмассивныхпартнеровфотонасправильнымизначениямимассыидругимипредсказаннымихарактеристиками. КарлоРуббиа, возглавившийгруппуизнесколькихсотенфизиков, которымпринадлежалоэтооткрытие, получилНобелевскуюпремию 1984 г., присужденнуюемусовместносинженеромЦЕРНаСимономВандерМеером, авторомпроектанакопителяантичастиц, использованноговэксперименте. (Внашевремячрезвычайнотруднооставитьсвойследвэкспериментальнойфизике, развечтовыуженавершине!).

Сильноеядерноевзаимодействиепредставляетсобойвзаимодействиечетвертоготипа,котороеудерживаеткваркивнутрипротонаинейтрона, апротоныинейтронывнутриатомногоядра. Переносчикомсильноговзаимодействиясчитаетсяещеодначастицасоспином 1, котораяназываетсяглюоном.

Глюонывзаимодействуюттолькоскваркамиисдругимиглюонами. Усильноговзаимодействияестьоднонеобычайноесвойство – онообладаетконфайнментом

(confinement – ограничение, удержание (англ.). – прим. ред.).

Конфайнментсостоитвтом, чточастицывсегдаудерживаютсявбесцветныхкомбинациях. Одинкваркнеможетсуществоватьсампосебе, потомучтотогдаондолженбылбыиметьцвет (красный, зеленыйилисиний). Поэтомукрасныйкваркдолженбытьсоединенсзеленымисинимпосредствомглюонной «струи» (красный + зеленый + синий = белый). Такойтриплетоказываетсяпротономилинейтроном. Существуетидругаявозможность, когдакваркиантикваркобъединяютсявпару (красный + антикрасный, илизеленый + антизеленый, илисиний + антисиний = белый). Такиекомбинациивходятвсоставчастиц, называемыхмезонами. Этичастицынестабильны, потомучтокваркиантикваркмогутаннигилироватьдругсдругом, образуяэлектроныидругиечастицы. Аналогичнымобразом, одинглюоннеможетсуществоватьсампосебеиз-законфайнмента, потомучтоглюонытожеобладаютцветом. Следовательно, глюоныдолжныгруппироватьсятакимобразом, чтобыихцветавсуммедавалибелыйцвет. Описаннаягруппаглюоновобразуетнестабильнуючастицу – глюбол.

Мынеможемнаблюдатьотдельныйкваркилиглюониз-законфайнмента. Неозначаетлиэто, чтосамопредставлениеокваркахиглюонахкакочастицахнесколькометафизично? Нет, потомучтосильноевзаимодействиехарактеризуетсяещеоднимсвойством, котороеназываетсяасимптотическойсвободой. Благодаряэтомусвойствупонятиекварковиглюоновстановитсявполнеопределенным. Приобычныхэнергияхсильноевзаимодействиедействительноявляетсясильнымиплотноприжимаеткваркидругкдругу. Но, какпоказываютэкспериментынамощныхускорителях, привысокихэнергияхсильноевзаимодействиезаметноослабеваетикваркииглюоныначинаютвестисебяпочтикаксвободныечастицы. Нарис. 5.2 представленфотоснимокстолкновенияпротонаиантипротонавысокойэнергии. Мывидим, чтонесколькопочтисвободныхкварков, родившихсяврезультатевзаимодействия, образовали «струи» треков, которыевиднынафотографии.

Итогомуспешногообъединенияэлектромагнитногоислабоговзаимодействийсталипопыткисоединитьэтидвавидавзаимодействийссильнымвзаимодействием, чтобыврезультатеполучиласьтакназываемая теория великогообъединения. Вэтомназванииесть некотороепреувеличение: во-первых, теориивеликогообъединениянетакиеужвеликие, а во-вторых, онинеобъединяютполностьювсевзаимодействия, потомучтовнихневходитгравитация. Крометого, всеэтитеориинасамомделенеполны, потомучтосодержатпараметры, которыенельзяпредсказатьтеоретическиикоторыенадовычислять, сравниваятеоретическиеиэкспериментальныерезультаты. Темнеменеетакиетеориимогутстатьшагомкполнойтеорииобъединения, охватывающейвсевзаимодействия. Основнаяидеяпостроениятеорийвеликогообъединениясостоитвследующем: какужеговорилось, сильныевзаимодействияпривысокихэнергияхстановятсяслабее, чемпринизких. Втожевремяэлектромагнитныеислабыесилыасимптотическинесвободны, ипривысокихэнергияхонирастут. Тогдаприкаком-тооченьбольшомзначенииэнергии – приэнергиивеликогообъединения – этитрисилымоглибысравнятьсямеждусобойистатьпросторазновидностямиоднойитойжесилы. Теориивеликогообъединенияпредсказывают, чтоприэтойэнергииразныечастицывеществасоспином 1/2, такие, каккваркииэлектроны, тожепересталибыразличаться, чтобылобыещеоднимшагомкобъединению.

Значениеэнергиивеликогообъединениянеоченьхорошоизвестно, ноонодолжносоставлятьпоменьшеймеретысячумиллионовмиллионовГэВ. Вускорителяхсовременногопоколениясталкиваютсячастицысэнергиямиоколо 100 ГэВ, авбудущихпроектахэтавеличинадолжнавозрастидонесколькихтысячГэВ. НодляускорениячастицдоэнергиивеликогообъединениянуженускорительразмеромсСолнечнуюсистему. Маловероятно, чтобывнынешнейэкономическойситуациикто-нибудьрешилсяеефинансировать. Вотпочемуневозможнанепосредственнаяэкспериментальнаяпроверкатеорийвеликогообъединения. Ноздесь, какивслучаеэлектрослабойединойтеории, существуютнизкоэнергетическиеследствия, которыеможнопроверить.

Самоеинтересноеизтакихследствиито, чтопротоны, составляющиебольшуючастьмассыобычноговещества, могутспонтаннораспадатьсянаболеелегкиечастицы, такие, какантиэлектроны. Причинавтом, чтоприэнергиивеликогообъединениянетсущественнойразницымеждукваркомиантиэлектроном. Трикваркавнутрипротонаобычнонеобладаютдостаточнымколичествомэнергиидляпревращениявантиэлектроны, ноодинизкварковможетсовершеннослучайнополучитьоднаждыэнергию, достаточнуюдляэтогопревращения, потомучтовсилупринципанеопределенностиневозможноточнозафиксироватьэнергиюкварковвнутрипротона. Тогдапротондолженраспасться, новероятностьтого, чтокваркбудетиметьдостаточнуюэнергию, стольмала, чтождатьэтогопридетсяпокрайнеймеремиллионмиллионовмиллионовмиллионовмиллионов (единицастридцатьюнулями) лет, чтогораздобольшевремени, прошедшегосмоментабольшоговзрыва, котороенепревышаетдесятитысячмиллионовлетиличто-тооколотого (единицасдесятьюнулями). Отсюданапрашиваетсявывод, чтовозможностьспонтанногораспадапротонанельзяэкспериментальнопроверить. Можно, однако, увеличитьвероятностьнаблюденияраспадапротона, изучаяоченьбольшоечислопротонов. (Наблюдая, например, 1 стридцатьюоднимнулемпротоноввтечениегода, можнонадеятьсяобнаружить, согласнооднойизпростейшихтеорийвеликогообъединения, болееодногораспадапротона).

Несколькотакихэкспериментовужевыполнено, ноонинедалиопределенныхсведенийораспадахпротонаилинейтрона. Одинизэкспериментов, вкоторомиспользовалосьвосемьтысячтоннводы, проводилсявсолянойшахтештатаОгайо (длятого, чтобыисключитькосмическиепомехи, которыеможнопринятьзараспадпротона). Посколькувтечениевсегоэкспериментанебылозарегистрированониодногораспадапротона, можновычислить, чтовремяжизнипротонадолжнобытьбольше, чемдесятьмиллионовмиллионовмиллионовмиллионовмиллионов (единицастридцатьюоднимнулем) лет. Этотрезультатпревышаетпредсказанияпростейшейтеориивеликогообъединения, ноестьиболеесложныетеории, дающиеболеевысокуюоценку. Дляихпроверкипотребуютсяещеболееточныеэкспериментысещебольшимиколичествамивещества.

Несмотрянатрудностинаблюденияраспадапротона, неисключено, чтосамонаше существованиеестьследствиеобратногопроцесса – образованияпротоновили, ещепроще, кварковнасамойначальнойстадии, когдакварковбылонебольше, чемантикварков. ТакаякартинаначалаВселеннойпредставляетсянаиболееестественной. Земноевеществовосновномсостоитизпротоновинейтронов, которыевсвоюочередьсостоятизкварков, новнемнетниантипротонов, ниантинейтронов, состоящихизантикварков, еслинесчитатьтенесколькоштук, которыебылиполученынабольшихускорителях. Экспериментыскосмическимилучамиподтверждают, чтотожесамоесправедливоидлявсеговеществавнашейГалактике: внемнетниантипротонов, ниантинейтронов, заисключениемтогонебольшогоколичестваантичастиц, котороевозникаетврезультатерожденияпарчастица-античастицавсоударенияхчастицпривысокихэнергиях. ЕслибывнашейГалактикебылибольшиеучасткиантивещества, томожнобылобыожидатьсильногоизлучениянаграницахразделавеществаиантивещества, гдевозникалобымножествосоударенийчастициантичастиц, которые, аннигилируя, испускалибыизлучениевысокойэнергии.

Унаснетпрямыхуказанийнато, состоитливеществодругихгалактикизпротоновинейтроновилиизантипротоновиантинейтронов, ноонодолжносостоятьизчастицодноготипа: впределаходнойгалактикинеможетбытьсмесичастициантичастиц, потомучтоврезультатеиханнигиляциииспускалосьбымощноеизлучение. Поэтомумысчитаем, чтовсегалактикисостоятизкварков, анеизантикварков; врядлиоднигалактикисостоялиизвещества, адругие – изантивещества.

Нопочемукварковдолжнобытьнастолькобольше, чемантикварков? Почемучислоихнеодинаково? Намоченьповезло, чтоэтотак, потомучтоеслибыкварковиантикварковбылопоровну, топочтивсекваркииантикваркипроаннигилировалибыдругсдругомвраннейВселенной, наполнивееизлучением, ноедвалиоставивхотькакое-нибудьвещество. Небылобынигалактик, низвезд, нипланет, накоторыхмоглабыразвиватьсячеловеческаяжизнь. Спомощьютеорийвеликогообъединенияможнообъяснить, почемувоВселеннойкварковдолжнобытьсейчасбольше, чемантикварков, дажевтомслучае, есливсамомначалеихбылопоровну. Какмыужезнаем, втеорияхвеликогообъединенияпривысокихэнергияхкваркимогутпревращатьсявантиэлектроны. Возможныиобратныепроцессы, когдаантикваркипревращаютсявэлектроны, аэлектроныиантиэлектроны – вантикваркиикварки. Когда-тонаоченьраннейстадииразвитияВселеннойонабылатакойгорячей, чтоэнергиичастицбылодостаточнодляподобныхпревращений. Нопочемужеврезультатекварковсталобольше, чемантикварков? Причинакроетсявтом, чтозаконыфизикинесовсемодинаковыдлячастициантичастиц.

До 1956 г. считалось, чтозаконыфизикиинвариантныотносительнотрехпреобразованийсимметрии – C, P и T. СимметрияСозначает, чтовсезаконыодинаковыдлячастициантичастиц. Симметрия P означает, чтозаконыфизикиодинаковыдлялюбогоявленияидляегозеркальногоотражения (зеркальнымотражениемчастицы, вращающейсяпочасовойстрелке, будетчастица, вращающаясяпротивчасовойстрелки). Наконец, смыслсимметрииТсостоитвтом, чтоприизменениинаправлениядвижениявсехчастициантичастицнаобратноесистемавернетсявтосостояние, вкоторомонанаходиласьраньше; инымисловами, законыодинаковыпридвижениивовременивпередилиназад.

В 1956 г. дваамериканскихфизика, ТзундаоЛииЧженьнинЯнг, высказалипредположение, чтослабоевзаимодействиенасамомделенеинвариантноотносительноР-преобразований. Инымисловами, врезультатеслабоговзаимодействияразвитиеВселеннойможетпойтииначе, чемразвитиееезеркальногоизображения. ВтомжегодуЦзиньсян By, коллегаЛииЯнга, сумеладоказать, чтоихпредположениеправильно. Расположиввмагнитномполеядрарадиоактивныхатомовтак, чтобыихспиныбылинаправленыодинаково, онапоказала, чтоэлектроноввылетаетбольшеводномнаправлении, чемвдругом. ВследующемгодуЛии Янгза своеоткрытиебылиудостоеныНобелевской премии. Оказалось, чтослабыевзаимодействиянеподчиняютсяисимметрииС. Это означает, чтоВселенная, состоящаяизантичастиц, будетвестисебяиначе, чемнашаВселенная. Всем, однако, казалось, чтослабоевзаимодействиедолжновсе-такиподчинятьсякомбинированнойсимметрии CP, т. е. развитиеВселеннойдолжнопроисходитьтакже, какиразвитиееезеркальногоотражения, если, отразивеевзеркале, мыещекаждуючастицузаменимантичастицей! Нов 1964 г. ещедваамериканца, ДжеймсКрониниВелФитч, обнаружили, чтовраспадечастиц, которыеназываются K-мезонами, нарушаетсядаже CP-симметрия.

Врезультатев 1980 г. КрониниФитчполучилизасвоюработуНобелевскуюпремию. (Какоеогромноеколичествопремийприсужденозаработы, вкоторыхпоказано, чтоВселеннаянетакпроста, какнамкажется).

Существуетматематическаятеорема, вкоторойутверждается, чтолюбаятеория, подчиняющаясяквантовоймеханикеитеорииотносительности, должнавсегдабытьинвариантнаотносительнокомбинированнойсимметрии CPT. Другимисловами, поведениеВселеннойнеизменится, еслизаменитьчастицыантичастицами, отразитьвсевзеркалеиещеизменитьнаправлениевременинаобратное. НоКрониниФитчпоказали, чтоеслизаменитьчастицыантичастицамиипроизвестизеркальноеотражение, ноприэтомнеизменятьнаправлениевременинаобратное, тоВселеннаябудетвестисебяпо-другому. Следовательно, приобращениивременизаконыфизикидолжныизмениться, т. е. онинеинвариантныотносительносимметрииТ.

Понятно, чтовраннейВселеннойнарушаласьсимметрияТ: когдавремятечетвперед, Вселеннаярасширяется, аеслибыi времяпошлоназад, тоВселеннаяначалабысжиматься. Апосколькусуществуютсилы, неинвариантныеотносительносимметрииТ, тоотсюдаследует, чтономерерасширенияВселеннойподдействиемэтихсилантиэлектроныдолжныпревращатьсявкваркичаще, чемэлектронывантикварки. Затем, когдаВселеннаярасширяласьиохлаждалась, антикваркиикваркидолжныбылианнигилировать, нопосколькукварковоказалосьбыбольше, чемантикварков, кваркиосталисьбывнебольшомизбытке. Иони-тоиестьтесамыекварки, изкоторыхсостоитсегодняшнеевещество, котороемывидимиизкоторогосотворенымысами. Такимобразом, самонашесуществованиеможнорассматриватькакподтверждениетеориивеликогообъединения, правда, толькокаккачественноеподтверждение. Неопределенностипроисходятиз-затого, чтомынеможемпредсказать, нисколькокварковостанетсяпослеаннигиляции, нидажебудутлиоставшиесячастицыкваркамиилиантикварками. (Правда, еслибывизлишкеосталисьантикварки, мыбыпростопереименовалиихвкварки, акварки – вантикварки).

Теориивеликогообъединенияневключаютвсебягравитационноевзаимодействие. Этонестольужсущественно, потомучтогравитационныесилытакмалы, чтоихвлияниемможнопростопренебречь, когдамыимеемделосэлементарнымичастицамиилиатомами. Однакототфакт, чтогравитационныесилыявляютсядальнодействующими, даещеивсегдасиламипритяжения, означает, чторезультатыихвоздействиявсегдасуммируются. Следовательно, еслиимеетсядостаточноеколичествочастицвещества, тогравитационныесилымогутстатьбольшевсехостальныхсил. ВотпочемуэволюцияВселеннойопределяетсяименногравитацией. Дажевслучаеобъектовразмеромсозвездугравитационноепритяжениеможетперевеситьвсеостальныесилыипривестикколлапсузвезды. В 70-хгодахязанималсяисследованиемчерныхдыр, которыемогутвозникнутьврезультатетакогозвездногоколлапса, иокружающихихсильныхгравитационныхполей. Именновходеэтойработыуменяпоявилисьпервыедогадкиотом, какквантоваямеханикаиобщаятеорияотносительностимогутвлиятьдругнадруга – первыепроблескиформытойквантовойтеориигравитации, которуюещепредстоитразработать.

Черныедыры

Термин «чернаядыра» появилсясовсем недавно. Еговвелвобиходв 1969 г. американскийученыйДжонУилеркакметафорическоевыражениепредставления, возникшегопокрайнеймере 200 летназад, когдасуществовалидветеориисвета: впервой, которойпридерживалсяНьютон, считалось, чтосветсостоитизчастиц; согласножевторойтеории, свет – этоволны. Сейчасмызнаем, чтонасамомделеобеониправильны. Всилупринципачастично-волновогодуализмаквантовоймеханикисветможетрассматриватьсяикакчастицы, икакволны. Втеории, вкоторойсвет – волны, былонепонятно, какбудетдействоватьнанегогравитация. Еслижесвет – потокчастиц, томожносчитать, чтогравитациядействуетнанихтакже, какнапушечныеядра, ракетыипланеты. Сначалаученыедумали, чточастицысветаперемешаютсясбесконечнойскоростьюипоэтомугравитациянеможетихзамедлить, покогдаРёмерустановил, чтоскоростьсветаконечна, сталоясно, чтовлияниегравитацииможетоказатьсясущественным.