Книга: Вселенная. Руководство по эксплуатации

IV. Откуда же берутся эти силы?

IV. Откуда же берутся эти силы?

Наш разговор мы начали с того, что фундаментальные силы похожи на игры, однако в нашей игре не хватает одного компонента, без которого ничего не получится: это мяч. Задумайтесь об этом. Без мяча теннис — не более чем конвульсивное размахивание ракеткой. То же самое можно сказать и о физике частиц. По состоянию наших знаний на сегодня, если положить два электрона на стол, они так и будут лежать. Взаимодействуют они только через электромагнитное (или слабое, или гравитационное) поле. Так что без поля они друг друга не увидят.

— Откуда же берется поле? Две частицы должны как-то известить друг друга о своем присутствии. Это можно сделать, «послав» от одной к другой третью частицу. Этот посланец — или переносчик взаимодействия — и есть частица, которая на самом деле несет в себе силу. Два электрона посылают туда-сюда векую частицу с сообщением: «Вот он я, вали отсюда!»[69]

Частица-переносчик в электромагнетизме называется фотоном, и мы уже уделили беседе о нем довольно много времени в главе 2. Мы уже знаем, что фотоны лишены массы и двигаются со скоростью света. Вследствие наводняющей Вселенную энергии вакуума все мы по уши в фотонах, которые то появляются, то исчезают.

Как мы видели, в зависимости от обстоятельств свет можно считать частицей или волной. В более общем смысле волна — это такое поле, что-то такое, что наблюдается везде во времени и пространстве. Если вы возьмете антенну и обойдете с ней весь дом, то везде засечете радиосигналы: где-то слабее, где-то сильнее. Это и есть электромагнитное поле. Фотон — это всего лишь кусочек электромагнитного поля, который летит через пространство со скоростью света. То же самое можно сказать обо всех фундаментальных силах. Существует сильное поле, слабое поле, гравитационное поле, и у каждого есть своя соответствующая частица.

Переносчики сильного ядерного взаимодействия называются глюонами. Глюоны, как и фотоны, лишены массы и двигаются со скоростью света, однако, в отличие от фотонов, подвержены тревожным состояниям, связанным с сепарацией. Фотон — носитель электромагнитной силы, но сам по себе он электрически нейтрален. То есть сам он и не чувствует электромагнитной силы.

Частицы, которые испытывают на себе сильное взаимодействие, обладают зарядом иного рода — «цветом». «Сильные» аналоги отрицательного и положительного зарядов в мире электромагнетизма — это красный, синий и зеленый заряды, которые определяют взаимодействия, возникающие между кварками в сильном поле. Если вы собрались бежать за цветными карандашами, чтобы рисовать Сильные взаимодействия, повремените. Это просто очередные придурковатые жаргонные названия, которые физики придумали, чтобы сбить с толку непосвященных.

Однако между электромагнитным режимом и сильным режимом существует важное различие. Как и при электромагнетизме, «игроки» (кварки) обладают зарядом, однако, в отличие от электромагнетизма, мячик тоже заряжен. Глюоны не просто переносят сильное взаимодействие, они его чувствуют, что разительным образом отличает их от фотонов. Глюоны притягивают друг друга и запутываются в структуры, которые называются глюболами. Это значит, что глюоны не могут летать далеко и сразу попадаются в ловушку — это одна из главных причин, по которой сильное взаимодействие ограничено пределами ядра. Это вдвойне справедливо для кварков, которые дадут сто очков вперед отшельникам вроде Дж.-Д. Сэлинджера и Томаса Пинчона. Вне ядра они вообще не встречаются.

Наша теория гравитации, которая называется общей теорией относительности, вообще не требует частиц-переносчиков. Об общей теории относительности мы поговорим в главах 6 и 7, но тот факт, что гравитация, согласно теории относительности, настолько отличается от всего остального, — это тайна, разгадку которой мы, вероятно, узнаем, когда будет разработана «Теория Всего» (по крайней мере убедительная Теория Всего).

Если все силы «на самом деле» одинаковы, тогда у всех должна быть частица-переносчик, не так ли? Идея заключается в том, что гравитацию переносит частица под названием гравитон, но ее не просто еще не открыли — мы крайне далеки от технологической возможности провести эксперимент, чувствительности которого хватило бы для обнаружения этой частицы. Однако мы уже знаем, что если гравитоны существуют, то они, как и фотоны, должны быть лишены массы. Вот почему они способны передавать гравитационные сигналы на такие громадные расстояния.

Слабое взаимодействие отличается от других очень сильно и доказывает это, как только может. Самое интересное его отличие заключается в том, что слабое взаимодействие переносят три частицы переносчика. В отличие от пижонских названий, которые получили другие частицы, эти называются просто — W-бозоны и Z-бозоны[70].

Почему же слабое взаимодействие настолько слабо, почему для того, чтобы хоть как-то проявиться, ему нужны дистанции субатомных размеров? Ответ мы уже знаем. Бозоны массивны, как гимнастические мячи, и им очень трудно перемещаться на дальние дистанции. Вероятно, вы не видите в этом ничего необычного, однако даже по самым простым теориям слабое взаимодействие, как и электромагнетизм и все прочие силы, должно иметь частицу-переносчик, лишенную массы. Почему же эти частицы совсем другие?

В физическом мире быть непохожим на других — сомнительное достоинство. Физики любят симметрию. Это настоящая любовь. Они посылают симметрии нежные записочки на лекциях и встречают ее после занятий с цветами. В целом физики понимают под симметрией вот что: можно менять параметры системы, но физика, которая стоит за ней, не меняется при этом ни капельки.

Представьте себе, что вы поехали за город поиграть в мини-гольф с племянником и племянницей и, в соответствии с традиционными гендерными представлениями, даете племяннику синий мяч, а племяннице — красный. Когда вы начинаете раунд, неважно, у кого синий мяч, а у кого красный, поскольку на игровые качества мяча цвет никак не влияет.

А теперь представьте себе, что на полпути к лунке вы отвлекли детей вкуснейшим мороженым и тайком поменяли местами синий и красный мячики. Если вы признаетесь детям, что поменяли мячики, ничего страшного не случится. Они вернутся к игре на том месте, где остановились, просто теперь племянник будет бить по красному мячу, а племянница — по синему. Конечно, подменить только один мячик и сделать так, чтобы на поле оказалось два красных, нельзя: тогда дети не будут знать, по какому мячику бить, и вы испортите им чудесный день.

Давайте обратимся к более научным материям, нежели мячики и клюшки. Дейтерий — это вариант водорода, ядро которого состоит из протона и нейтрона. Если бы вы попытались заменить один из нейтронов протоном или наоборот, у вас бы получился феномен вроде лох-несского чудовища или снежного человека: очень занятный, но несуществующий. Физики так ценят симметрию, поскольку с фундаментальной точки зрения любые два электрона — или любые две элементарные частицы одного и того же типа — в точности одинаковы, неразличимы. На микроскопическом уровне нельзя сказать «тот электрон» и «этот электрон». Мы просто отмечаем, что их два.

Так, но не совсем. У электронов есть еще одно свойство — спин, — как мы заметили, когда обсуждали в предыдущей главе ЭПР-парадокс. Спин электрона может быть направлен вверх или вниз. В чем разница? Во многих случаях разницы никакой. Например, электрон со спином, направленным вверх, имеет ту же массу и заряд, что и электрон, чей спин направлен вниз. С другой стороны, если мы пропустим электрон со спином, направленным вниз, через магнитное поле, он отразится не в том направлении, что электрон, чей спин направлен вверх. Более того, при помощи магнитного поля можно превратить электрон со спином, направленным вниз, в электрон со спином, направленным вверх, и наоборот. Тут-то в игру и вступает симметрия. Физики отмечают, что две частицы совершенно одинаковы, кроме одного относительно небольшого различия. Мы думаем о них как о двух версиях одной и той же частицы.

Разумеется, иногда эта аналогия оказывается довольно-таки натянутой. Например, при игре в мини-гольф можно всегда заменить красный мяч синим, и ничего ужасного не произойдет. На игровые качества мяча цвет, повторим, не влияет. Но что будет, если мы заменим красный мяч футбольным? С точки зрения игры в гольф такая подмена будет «плохой симметрией», поскольку один мяч влезает в лунку, а другой — нет. Однако если бы вы не играли в гольф, а хотели проверить, ровный ли у вас в гостиной пол, то мяч для гольфа и футбольный мяч послужили бы этой цели с одинаковым успехом.

Более того, у электронов есть еще одно качество — так называемая фаза, которую вообще невозможно измерить. Измерить можно только разницу в фазах между двумя электронами[71].

Два электрона с разными фазами в некоторых отношениях — одна и та же частица, а в некоторых — разные.

Да уж, с этими электронами одна морока.

В 1940 годах Ричард Фейнман из Калифорнийского технологического института придумал совершенно новый подход ко всему этому. Он спросил, что бы произошло, если бы существовало поле, способное менять фазу электрона (или любой другой заряженной частицы) на другую фазу. Пробившись сквозь математические дебри, он обнаружил, что это и есть электромагнитное поле. Такое странное предположение — что электроны с одной фазой можно превратить в электроны с другой — стало основой для того, чтобы предсказать все, что касается света. Если бы Фейнман проделал те же вычисления на сорок лет раньше, то предсказал бы фотоны до того, как Эйнштейн доказал, что они существуют.

Мы полностью согласны, что такой подход, получивший название «квантовая электродинамика», представляется абсолютно надуманным. У нас нет ни малейших представлений о том, почему Вселенная решила обзавестись физическими законами, построенными так, чтобы для них были справедливы аргументы, основанные на симметрии. Но это факт — аргументы справедливы.

Именно в этом случае физики и вспоминают о своей старинной подружке — симметрии. Может быть, если этот подход годится для одной из фундаментальных сил, он сгодится и для остальных? На первый взгляд электроны и нейтрино не слишком похожи друг на друга. Во-первых, электроны заряжены отрицательно, а нейтрино электрически нейтральны. С точки зрения электромагнетизма они вообще очень разные. Хотя обе частицы крайне легки, нейтрино настолько малы, что физики долгое время считали, будто у них вообще нет массы.

Однако у электронов и нейтрино явно есть нечто общее. Если в результате реакции появляется нейтрино, можете смело ставить последний доллар за то, что в этом замешан электрон. Поэтому, вероятно, эти частицы в чем-то симметричны, только симметрия очень слабая. Гипотеза заключается в том, что существует слабое поле, а на самом деле целых три, которое способно превратить электрон в нейтрино и наоборот, или превратить u-кварк в d-кварк, или позволить нейтрино разбегаться друг от друга. Маленькие «кусочки» этого поля можно засечь детектором — это частицы W и Z.

Мы могли бы проделать примерно такие же или гораздо более сложные логические выкладки и выявить качества глюонов, носителей сильного взаимодействия, или гипотетического гравитона, носителя гравитации. Но мы этого делать не будем. Нас (как и исследователей, работающих на БАК) интересует разгадка тайны слабого взаимодействия. Формулы слабого взаимодействия, которые получаются, когда мы проделываем вычисления, основанные на симметрии, оказываются почти идеально точными — как и в случае с электромагнетизмом.

Почти.

В главе 1 мы видели другую форму симметрии. Тогда мы ее так не называли, но отметили, что вся физика Вселенной имеет одинаковый смысл, когда вы стоите неподвижно или двигаетесь равномерно и прямолинейно. Кроме того, мы видели, что скорость частиц, очевидно, менялась в зависимости от того, двигаетесь вы или сохраняете неподвижность. С одним исключением: частицы, лишенные массы, всегда двигаются со скоростью света.

Очевидно, в частицах, лишенных массы, есть что-то особенное, и из этого должно следовать, согласно нашим симметрическим аргументам, что все частицы-переносчики должны быть лишены массы. Фотоны и глюоны именно таковы. Хотя мы так и не получили гравитон, тот факт, что гравитация распространяется со скоростью света, означает, что гравитоны должны быть тоже лишены массы.

С другой стороны, частицы W и Z обладают массой, и еще какой[72].

Они примерно в 100 раз массивнее протона. С точки зрения математики нужно здорово повозиться с формулами, чтобы с этим разобраться.