Чтение онлайн

Отношения между верхними (U) и нижними (D) кварками представляется примерно таким же, как отношения между электроном и нейтрино. Однако в каком-то смысле кварки совсем не похожи на электроны и нейтрино.

Мы разделили стандартную модель на фермионы и бозоны, а теперь разделим на две части еще и фермионы. Загляните в таблицу частиц в конце книги, и вы увидите, что я это уже проделал. В одну сторону отложим электроны, мюоны, тау-частицы и нейтрино — все вместе они называются лептоны, — а в другую кварки. Между этими кучками огромная разница, которая состоит в том, что кварки подвержены сильному взаимодействию, а лептоны нет.

Если вам интересно, почему существуют две поразительно похожие кучки частиц, но одна подвержена сильному взаимодействию, а другая нет, честно признаюсь, что ответа на этот вопрос я не знаю. Объединить электромагнетизм и слабое взаимодействие нам удалось, но куда пристроить сильное взаимодействие, мы пока не разобрались.

Сильное взаимодействие скрепляет ядро атома. И это не пустяк. Ведь любой протон — это пороховая бочка, которая только и ждет, как бы взорваться. У двух верхних кварков заряды положительные, что означает, что по законам электромагнетизма они должны отталкиваться. И сила отталкивания получается исполинская — примерно в 1030 раз больше обычного гравитационного ускорения Земли, — из чего следует, что для того, чтобы не дать этой конструкции развалиться, нужно что-то еще сильнее.

Как и в случае слабого взаимодействия, симметрия сильного взаимодействия получила особое название — SU (3). И, как и в случае слабого взаимодействия, эта симметрия предсказывает наличие сохраняющейся величины: это цвет. В общем и целом это эквивалент заряда, только для кварков. Странность состоит в том, что любой конкретный тип кварка может быть одного из трех цветов — красный, зеленый или синий. Уточню на всякий случай, что это просто названия. Если бы можно было при помощи мощнейшего микроскопа заглянуть на субатомные уровни, мы бы увидели, что синий кварк ничем не отличается от красного. С тем же успехом можно было бы взять любые три прилагательных, у которых есть что-то общее, например, «законопослушный», «нейтральный» и «хаотичный», как в игре «Dungeons & Dragons».

Тем, кто привык иметь дело только с плюсом и минусом, мысль о трех разных вариантах заряда может показаться диковатой, однако пугаться этого я вам запрещаю. Цвета — это совсем как электрический заряд, просто у частицы может быть цвет, антицвет или нейтральное цветовое состояние.

То, что цветов именно три, не совпадение, а просто следствие тройки в SU (3). У лептонов цветов нет, так что лептоны не участвуют в сильном взаимодействии, точно так же как электрически нейтральные частицы остаются незамеченными электромагнетизмом.

Эта симметрия гласит, что если поменять красные частицы на зеленые и зеленые на красные (или совершить любую другую подмену), взаимодействия останутся прежними. Иначе говоря,

Да-да, понимаю. Сохраняется именно то, что симметрично.

Одно из самых диковинных свойств сильного взаимодействия состоит в том, что все встречающиеся в природе частицы во вселенной, похоже, бесцветны. В состав протона входят красный, зеленый и синий кварки. Если вам когда-нибудь случалось интересоваться смешением цветов, вы знаете, что если смешать все цвета спектра, получится белый, то есть вообще никакого цвета. Именно поэтому протонам и нейтронам нужно по три кварка, не больше и не меньше.

Цвет, как и все остальные калибровочные симметрии, неизбежно приводит к существованию частиц-переносчиков взаимодействия под названием глюоны. На первый взгляд глюоны играют ту же роль, что и фотоны в электромагнетизме. Когда двум заряженным частицам нужно притянуть или оттолкнуть друг друга, они рассылают туда-сюда фотоны. Подобным же образом два кварка обмениваются посланиями при помощи глюона. Однако есть существенная разница. Фотоны сами по себе нейтральны, а следовательно, два фотона не станут взаимодействовать друг с дружкой. Глюонам повезло меньше. Вы когда-нибудь видели, как маленький ребенок пытается отмотать от рулона кусочек скотча? Если да, вы, наверное, заметили, что в результате весь рулон превращается в беспорядочную груду из комьев и петель. Глюоны прямо взаимодействуют друг с другом и, следовательно, постоянно друг другу мешают. Кстати, именно поэтому сильное взаимодействие ограничено атомным ядром.

Какой бы изящной ни была стандартная модель, приходится очень многое держать в голове. Наверное, полезно будет привести табличку симметрий стандартной модели.

Наверное, вы заметили, что я подсунул в симметрию слабого взаимодействия какую-то непонятную буковку L. Вы спрашиваете, что это? Это реликт кое-чего, с чем мы уже сталкивались: нейтрино всегда левши. Леворукость и слабое взаимодействие связаны теснейшим образом. Частицы-правши абсолютно невосприимчивы к слабому взаимодействию (точно так же, как бесцветные частицы невосприимчивы к сильному взаимодействию, а нейтральные — к электромагнетизму), а это прямо и недвусмысленно означает, что частицы-левши и частицы-правши одного типа на самом деле существа абсолютно разные. Вскоре мы увидим, что эта небольшая асимметрия играет очень важную роль.

Вроде бы все это — умножение сущностей без надобности, и может показаться, будто мы ушли очень далеко от симметрии в привычном представлении, так что, наверное, полезно будет свести все частицы стандартной модели в единую схему. Так мы и поступили прямо на следующей странице.

Правда, красиво?

Это всего лишь один из способов нарисовать разные заряды всех частиц. В нашем случае каждая точка схемы соответствует особому сочетанию слабого изоспина и слабого гиперзаряда. Если вам известно, как они сочетаются, электрический заряд вы получите в качестве бесплатного приложения.

Наверняка вы быстро заметили, что сами по себе частицы подчиняются очень строгой закономерности. Если бы мы не слишком прилежно регистрировали частицы и некоторые пропустили, свободные места в схеме тут же подсказали бы нам, где их надо искать, и даже спрогнозировали бы кое-какие качества этих частиц. Такие схемы очень удобны еще и потому, что на них сразу видны сохраняемые величины в рамках того или иного закона.

Однако рисовать я могу только на двумерной странице, поэтому в этой схеме упущено много полезной информации. Например, кварки могут быть одного из трех цветов, однако красный кварк окажется на нашей схеме ровно на том же месте, что и синий. Иными словами, в зависимости от того, как мы поглядим на частицы, мы увидим разную симметрию.

Стандартная модель

Все эти симметрии — отнюдь не просто математические фокусы. В 1960 году Шелдон Глэшоу обнаружил, что слабое и электромагнитное взаимодействие можно объединить в одно «электрослабое взаимодействие». В течение следующих десяти лет эту гипотезу усовершенствовали Стивен Вайнберг и Абдус Салам. Это одна из милых особенностей симметрии. Взгляните на соотношение между слабым изоспином, слабым гиперзарядом и обычным электрическим зарядом, и вы увидите, как тесно они связаны. Это верный признак, что и стоящие за ними взаимодействия тоже, вероятно, можно объединить.

Объединение взаимодействий — это очень важное открытие. Во-первых, оно здорово экономит время. Если бы — в идеале — все физические законы можно было описать одной формулой, вам не пришлось бы столько зубрить. А еще это означает, что физические законы обладают глубокой внутренней согласованностью.

Ньютона запомнили на века, поскольку он сумел объединить движение планет, качание маятников и падение яблок в единый закон всемирного тяготения. Подобным же образом на сторонний взгляд электричество и магнетизм — это совсем разные вещи. Электричество управляет взаимодействием воздушных шариков, которые потерли о свитер, а магнетизм — компасами. Но стоит вам — если вы, конечно, Максвелл, — копнуть поглубже, и окажется, что вся разница только в том, движутся частицы или нет.