5. Элементарные частицы и силы в природе
Аристотель считал, что вещество во Вселенной состоит из четырех основных элементов - земли, воздуха, огня и воды, на которые действуют две силы: сила тяжести, влекущая землю и воду вниз, и сила легкости, под действием которой огонь и воздух стремятся вверх. Такой подход к строению Вселенной, когда все делится на вещество и силы, сохраняется и по сей день.
По Аристотелю, вещество непрерывно, т. е. любой кусок вещества можно бесконечно дробить на все меньшие и меньшие кусочки, так и не дойдя до такой крошечной крупинки, которая дальше бы уже не делилась. Однако некоторые другие греческие философы, например Демокрит, придерживались мнения, что материя по своей природе имеет зернистую структуру и все в мире состоит из большого числа разных атомов (греческое слово "атом" означает неделимый). Проходили века, но спор продолжался без всяких реальных доказательств, которые подтверждали бы правоту той или другой стороны. Наконец, в 1803 г. английский химик и физик Джон Дальтон показал, что тот факт, что химические вещества всегда соединяются в определенных пропорциях, можно объяснить, предположив, что атомы объединяются в группы, которые называются молекулами. Однако до начала нашего века спор между двумя школами так и не был решен в пользу атомистов. В разрешение этого спора очень важный вклад внес Эйнштейн. В своей статье, написанной в 1905 г., за несколько недель до знаменитой работы о специальной теории относительности, Эйнштейн указал на то, что явление, носящее название броуновского движения, - нерегулярное, хаотическое движение мельчайших частичек, взвешенных в воде, - можно объяснить ударами атомов жидкости об эти частички.
К тому времени уже имелись некоторые основания подумывать о том, что и атомы тоже не неделимы. Несколькими годами раньше Дж. Дж. Томсон из Тринити-колледжа в Кембридже открыл новую частицу материи - электрон, масса которого меньше одной тысячной массы самого легкого атома. Экспериментальная установка Томсона немного напоминала современный телевизионный кинескоп. Раскаленная докрасна металлическая нить служила источником электронов. Поскольку электроны заряжены отрицательно, они ускорялись в электрическом поле и двигались в сторону экрана, покрытого слоем люминофора. Когда электроны падали на экран, на нем возникали вспышки света. Вскоре стало понятно, что эти электроны должны вылетать из атомов, ив 1911 г. английский физик Эрнст Резерфорд наконец доказал, что атомы вещества действительно обладают внутренней структурой: они состоят из крошечного положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг пего электронов. Резерфорд пришел к этому выводу, изучая, как отклоняются альфа-частицы (положительно заряженные частицы, испускаемые атомами радиоактивных веществ) при столкновении с атомами.
Вначале думали, что ядро атома состоит из электронов и положительно заряженных частиц, которые назвали протонами (от греческого слово "протос" - первичный), потому что протоны считались теми фундаментальными блоками, из которых состоит материя. Однако в 1932 г. Джеймс Чедвик, коллега Резерфорда по Кембриджскому университету, обнаружил, что в ядре имеются еще и другие частицы - нейтроны, масса которых почти равна массе протона, но которые не заряжены. За это открытие Чедвик был удостоен Нобелевской премии и выбран главой Конвилл-энд-Кайус-колледжа Кембриджского университета (колледж, в котором я сейчас работаю). Потом ему пришлось отказаться от этого поста из-за разногласий с сотрудниками. В колледже постоянно происходили ожесточенные споры, которые начались с тех пор, как после войны группа вернувшейся молодежи проголосовала против того, чтобы старые сотрудники оставались на своих должностях, которые они уже много лет занимали. Все это происходило еще до меня; я начал работать в колледже в 1965 г. и застал самый конец борьбы, когда другой глава колледжа, нобелевский лауреат Невилл Мотт, вынужден был тоже уйти в отставку.
Еще лет двадцать назад протоны и нейтроны считались "элементарными" частицами, но эксперименты по взаимодействию протонов и электронов, движущихся с большими скоростями, с протонами показали, что на самом деле протоны состоят из еще более мелких частиц. Мюррей Гелл-Манн, теоретик из Калифорнийского технологического института, назвал эти частицы кварками. В 1969 г. за исследование кварков Гелл-Манн был удостоен Нобелевской премии. Название "кварк" взято из заумной стихотворной строки Джеймса Джойса: "Три кварка для мастера Марка!". По идее, слово quark должно произноситься так же, как слово quart (куорт), в которой буква t на конце заменена буквой k, но обычно его произносят так, что оно рифмуется со словом lark.
Известно несколько разновидностей кварков: предполагают, что существует по крайней мере шесть "ароматов", которым отвечают u-кварк, d-кварк, странный кварк, очарованный кварк, b-кварк и t-кварк. Кварк каждого "аромата" может быть еще и трех "цветов" - красного, зеленого и синего. (Следует подчеркнуть, что это просто обозначения, так как размер кварков значительно меньше длины волны видимого света и поэтому цвета в обычном смысле слова у них нет. Дело просто в том, что современным физикам нравится придумывать названия новых частиц и явлений, не ограничивая больше свою фантазию греческим алфавитом). Протон и нейтрон состоят из трех кварков разных "цветов". В протоне содержится два u-кварка и один d-кварк, в нейтроне - два d-кварка и один u-кварк. Частицы можно строить и из других кварков (странного, очарованного, b и t), но все эти кварки обладают гораздо большей массой и очень быстро распадаются на протоны и нейтроны.
Мы уже знаем, что ни атомы, ни находящиеся внутри атома протоны с нейтронами не являются неделимыми, а потому возникает вопрос: что же такое настоящие элементарные частицы - те исходные кирпичи, из которых все состоит? Поскольку длины световых волн существенно больше размеров атома, у нас нет надежды "увидеть" составные части атома обычным способом. Для этой цели необходимы значительно меньшие длины волн. В предыдущей главе мы узнали, что, согласно квантовой механике, все частицы на самом деле являются еще и волнами и чем выше энергия частицы, тем меньше соответствующая длина волны. Таким образом, наш ответ на поставленный вопрос зависит от того, насколько высока энергия частиц, имеющихся в нашем распоряжении, потому что ею определяется насколько мал масштаб тех длин, которые мы сможем наблюдать. Единицы, в которых обычно измеряется энергия частиц, называются электронвольтами. (Томсон в своих экспериментах для ускорения электронов использовал электрическое поле. Электронвольт - это энергия, которую приобретает электрон в электрическом поле величиной 1 вольт). В XIX в., когда умели использовать только частицы с энергиями в несколько электронвольт, выделяющимися в химических реакциях типа горения, атомы считались самыми мелкими частями материи. В экспериментах Резерфорда энергии альфа-частиц составляли миллионы электронвольт. Затем мы научились с помощью электромагнитных полей разгонять частицы сначала до энергий в миллионы, а потом и в тысячи миллионов электронвольт. Так мы узнали, что частицы, которые двадцать лет назад считались элементарными, на самом деле состоят из меньших частиц. А что если при переходе к еще более высоким энергиям окажется, что и эти меньшие частицы в свою очередь состоят из еще меньших? Конечно, это вполне вероятная ситуация, но у нас сейчас есть некоторые теоретические основания считать, что мы уже владеем или почти владеем сведениями об исходных "кирпичиках", из которых построено все в природе.
Все, что есть во Вселенной, в том числе свет и гравитацию, можно описывать, исходя из представления о частицах, с учетом частично-волнового дуализма, о котором мы говорили в предыдущей главе. Частицы же имеют некую вращательную характеристику - спин (spin - вращаться, крутиться (англ.). - прим. перев.).
Представим себе частицы в виде маленьких волчков, вращающихся вокруг своей оси. Правда, такая картина может ввести в заблуждение, потому что в квантовой механике частицы не имеют вполне определенной оси вращения. На самом деле спин частицы дает нам сведения о том, как выглядит эта частица, если смотреть на нее с разных сторон. Частица со спином 0 похожа на точку: она выглядит со всех сторон одинаково (рис. 5.1, I). Частицу со спином 1 можно сравнить со стрелой: с разных сторон она выглядит по-разному (рис. 5.1, II) и принимает тот же вид лишь после полного оборота на 360 град. Частицу со спином 2 можно сравнить со стрелой, заточенной с обеих сторон: любое ее положение повторяется после полуоборота (180 град.). 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 частицы во Вселенной можно разделить на две группы: частицы со спином 1/2, из которых состоит вещество во Вселенной, и частицы со спином 0, 1 и 2, которые, как мы увидим, создают силы, действующие между частицами вещества. Частицы вещества подчиняются так называемому принципу запрета Паули, открытому в 1925 г. австрийским физиком Вольфгангом Паули. В 1945 г. Паули за свое открытие был удостоен Нобелевской премии. Он являл собой идеальный пример физика-теоретика: говорят, что одно его присутствие в городе нарушало ход всех экспериментов! Принцип Паули гласит, что две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии, т. е. не могут иметь координаты и скорости, одинаковые с той точностью, которая задается принципом неопределенности. Принцип Паули имеет крайне важное значение, так как он позволил объяснить, почему под действием сил, создаваемых частицами со спином 0, 1, 2, частицы материи не коллапсируют в состояние с очень высокой плотностью: если частицы вещества имеют очень близкие значения координат, то их скорости должны быть разными, и, следовательно, они не смогут долго находиться в точках с этими координатами. Если бы в сотворении мира не участвовал принцип Паули, кварки не могли бы объединиться в отдельные, четко определенные частицы - протоны и нейтроны, которые в свою очередь не смогли бы, объединившись с электронами, образовать отдельные, четко определенные атомы. Без принципа Паули все эти частицы сколлапсировали бы и превратились в более или менее однородное и плотное "желе".
Правильное представление об электроне и других частицах со спином 1/2 отсутствовало до 1928 г., когда Поль Дирак предложил теорию для описания этих частиц. Впоследствии Дирак получил кафедру математики в Кембридже (которую в свое время занимал Ньютон и которую сейчас занимаю я). Теория Дирака была первой теорией такого рода, которая согласовалась и с квантовой механикой, и со специальной теорией относительности. В ней давалось математическое объяснение того, почему спин электрона равен 1/2, т. е. почему при однократном полном обороте электрона он не принимает прежний вид, а при двукратном принимает. Теория Дирака предсказывала также, что у электрона должен быть партнер - антиэлектрон, или, иначе, позитрон. Открытие позитрона в 1932 г. подтвердило теорию Дирака, и в 1933 г. он получил Нобелевскую премию по физике. Сейчас мы знаем, что каждой частице соответствует античастица, с которой она может аннигилировать. (В случае частиц, обеспечивающих взаимодействие, частица и античастица - одно и то же). Могли бы существовать целые антислова и антилюди, состоящие из античастиц. Но встретив антисебя, не вздумайте поздороваться с ним за руку! Возникнет ослепительная вспышка света, и вы оба исчезнете. Чрезвычайно важен вопрос, почему вокруг нас гораздо больше частиц, чем античастиц. Мы к нему еще вернемся в этой главе.
В квантовой механике предполагается, что все силы, или взаимодействия, между частицами вещества переносятся частицами с целочисленным спином, равным 0, 1 или 2. Частица вещества, например электрон или кварк, испускает частицу, которая является переносчиком взаимодействия. В результате отдачи скорость частицы вещества меняется. Затем частицапереносчик налетает на другую частицу вещества и поглощается ею. Это соударение изменяет скорость второй частицы, как будто между этими двумя частицами вещества действует сила.
Частицы-переносчики взаимодействия обладают одним важным свойством: они не подчиняются принципу запрета Паули. Это означает отсутствие ограничений для числа обмениваемых частиц, так что возникающая сила взаимодействия может оказаться большой. Но если масса частиц-переносчиков велика, то на больших расстояниях их рождение и обмен будут затруднены. Таким образом, переносимые ими силы будут короткодействующими. Если же частицы-переносчики не будут обладать собственной массой, возникнут дальнодействующие силы. Частицы-переносчики, которыми обмениваются частицы вещества, называются виртуальными, потому что в отличие от реальных их нельзя непосредственно зарегистрировать при помощи детектора частиц. Однако мы знаем, что виртуальные частицы существуют, потому что они создают эффекты, поддающиеся измерению: благодаря виртуальным частицам возникают силы, действующие между частицами вещества. При некоторых условиях частицы со спинами О, 1, 2 существуют и как реальные; тогда их можно непосредственно зарегистрировать. С точки зрения классической физики такие частицы встречаются нам в виде волн, скажем световых или гравитационных. Они иногда испускаются при взаимодействии частиц вещества, протекающем за счет обмена частицамипереносчиками взаимодействия. (Например, электрическая сила взаимного отталкивания между двумя электронами возникает за счет обмена виртуальными фотонами, которые нельзя непосредственно зарегистрировать. Но если электроны пролетают друг мимо друга, то возможно испускание реальных фотонов, которые будут зарегистрированы как световые волны).
Частицы-переносчики можно разделить на четыре типа в зависимости от величины переносимого ими взаимодействия и от того, с какими частицами они взаимодействовали. Подчеркнем, что такое разделение совершенно искусственно; это схема, удобная для разработки частных теорий, ничего более серьезного в ней, вероятно, нет. Большинство физиков надеется, что в конце концов удастся создать единую теорию, в которой все четыре силы оказались бы разновидностями одной и той же силы. Многие даже видят в этом главную цель современной физики. Недавно увенчались успехом попытки объединения трех сил. В этой главе я еще собираюсь о них рассказать. О том, как обстоит дело с включением в такое объединение гравитации, мы поговорим немного позже.
Итак, первая разновидность сил - гравитационная сила. Гравитационные силы носят универсальный характер. Это означает, что всякая частица находится под действием гравитационной силы, величина которой зависит от массы или энергии частицы. Гравитация гораздо слабее каждой из оставшихся трех сил. Это очень слабая сила, которую мы вообще не заметили бы, если бы не два ее специфических свойства: гравитационные силы действуют на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения. Следовательно, очень слабые гравитационные силы взаимодействия отдельных частиц в двух телах большого размера, таких, например, как Земля и Солнце, могут в сумме дать очень большую силу. Три остальных вида взаимодействия либо действуют только на малых расстояниях, либо являются то отталкивающими, то притягивающими, что приводит в общем к компенсации. В квантово-механическом подходе к гравитационному полю считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами материи, переносится частицей со спином 2, которая называется гравитоном. Гравитон не обладает собственной массой, и поэтому переносимая им сила является дальнодействующей. Гравитационное взаимодействие между Солнцем и Землей объясняется тем, что частицы, из которых состоят Земля и Солнце, обмениваются гравитонами. Несмотря на то что в обмене участвуют лишь виртуальные частицы, создаваемый ими эффект безусловно поддается измерению, потому что этот эффект - вращение Земли вокруг Солнца! Реальные гравитоны распространяются в виде волн, которые в классической физике называются гравитационными, но они очень слабые, и их так трудно зарегистрировать, что пока это никому не удалось сделать.
Следующий тип взаимодействия создается электромагнитными силами, которые действуют между электрически заряженными частицами, как, например, электроны и кварки, по не отвечают за взаимодействие таких незаряженных частиц, как гравитоны. Электромагнитные взаимодействия гораздо сильнее гравитационных: электромагнитная сила, действующая между двумя электронами, примерно в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с сорока двумя нулями) раз больше гравитационной силы. Но существуют два вида электрического заряда - положительный и отрицательный. Между двумя положительными зарядами так же, как и между двумя отрицательными, действует сила отталкивания, а между положительным и отрицательным зарядами - сила притяжения. В больших телах, например в Земле или Солнце, содержание положительных и отрицательных зарядов почти одинаково, и, следовательно, силы притяжения и отталкивания почти компенсируют друг друга, и остается очень малая чисто электромагнитная сила. Однако в малых масштабах атомов и молекул электромагнитные силы доминируют. Под действием электромагнитного притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами в ядре электроны в атоме вращаются вокруг ядра в точности так же, как под действием гравитационного притяжения Земля вращается вокруг Солнца. Электромагнитное притяжение описывается как результат обмена большим числом виртуальных безмассовых частиц со спином 1, которые называются фотонами. Как и в случае гравитонов, фотoны, осуществляющие обмен, являются виртуальными, но при переходе фотона с одной разрешенной орбиты на другую, расположенную ближе к ядру, освобождается энергия, и в результате испускается реальный фотон, который при подходящей длине волны можно наблюдать человеческим глазом как видимый свет, или же с помощью какого-нибудь детектора фотонов, например фотопленки. Аналогичным образом при соударении реального фотона с атомом может произойти переход электрона с одной орбиты на другую, более далекую от ядра. Этот переход происходит за счет энергии фотона, который поглощается атомом. Взаимодействие третьего типа называется слабым взаимодействием. Оно отвечает за радиоактивность и существует между всеми частицами вещества со спином 1/2, но в нем не участвуют частицы со спином 0, 1, 2- фотоны и гравитоны. До 1967 г. свойства слабых сил были плохо изучены, а в 1967 г. Абдус Салам, теоретик из Лондонского Империал-колледжа, и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета одновременно предложили теорию, которая объединяла слабое взаимодействие с электромагнитным аналогично тому, как на сто лет раньше Максвелл объединил электричество и магнетизм. Вайнберг и Салам высказали предположение о том, что в дополнение к фотону существуют еще три частицы со спином 1, которые все вместе называются тяжелыми векторными бозонами и являются переносчиками слабого взаимодействия. Эти бозоны были обозначены символами W+, W- и Z0, масса каждого из них составляла 100 ГэВ (ГэВ означает гигаэлектронвольт, т. е. тысяча миллионов электронвольт). Теория Вайнберга-Салама обладает свойством так называемого спонтанного нарушения симметрии. Оно означает, что частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях оказываются на самом деле одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях. Это в каком-то смысле похоже на поведение шарика при игре в рулетку. При всех высоких энергиях (т. е. при быстром вращении колеса) шарик ведет себя всегда почти одинаково - безостановочно вращается. Но когда колесо замедлится, энергия шарика уменьшается, и в конце концов он проваливается в одну из тридцати семи канавок, имеющихся на колесе. Иными словами, при низких энергиях шарик может существовать в тридцати семи состояниях. Если бы мы почему-либо могли наблюдать шарик только при низких энергиях, то считали бы, что существует тридцать семь разных типов шариков!
