Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной - [64]
Электрические заряды элементарных частиц можно описать в рамках гораздо более простой и регулярной схемы, чем массы. У многих элементарных частиц электрический заряд равен нулю, а у остальных — целому числу, помноженному на общую единицу измерения[144]. Заряд некоторых частиц положителен, а других — отрицателен.
Как я уже говорил, электрический заряд ответственен за реакцию тела на электрические и магнитные поля. Есть два других вида зарядов, во многом аналогичные электрическому и играющие схожую роль в других взаимодействиях: цветной и слабый.
Цветной заряд тела характеризует интенсивность его отклика на глюонное поле. Мне нравится говорить, что цветной заряд похож на электрический, но на стероидах. Он определяет напряженность силы, обусловленной сильным взаимодействием. Единичный цветной заряд больше единичного электрического заряда (то есть заряда электрона). Это то, что делает сильные силы сильными. Но не только это: в отличие от одного вида электрического заряда и одного вида фотона, есть три вида цветных зарядов и восемь видов глюонов — переносчиков сильного взаимодействия.
Полная система уравнений, описывающая сильное взаимодействие и известная как квантовая хромодинамика (КХД), представляет собой расширенную и более симметричную версию уравнений Максвелла, «управляющих» квантовой электродинамикой (КЭД). КХД — это КЭД, нарастившая мускулы.
Слабые заряды бывают двух видов; единичный слабый заряд чуть больше единичного электрического. Физическая значимость слабых зарядов становится очевидной только в контексте идей, связанных с конденсатом Хиггса, о чем шла речь в главе 8.
Есть два сорта так называемых частиц изменения.
W- и Z-бозоны и бозоны Хиггса примерно в сто раз тяжелее протонов, а кроме того, очень нестабильны. Их трудно создать, и они крайне недолго живут. За последние десятилетия создание и наблюдение частиц изменения — главный результат работы мощных ускорителей.
Нейтрино, наоборот, очень легкие и в основном стабильные, но слабо взаимодействуют с обычной материей (то есть материей, состоящей из частиц конструкции).
Вот таблица, сходная с приведенной для частиц построения:
Хотя частицы изменения не относятся к важным составляющим обычной материи, их роль чрезвычайно велика. Такие частицы участвуют в превращениях — так называемых слабых взаимодействиях или слабых силах.
В мире природы высвобождение энергии в процессах с участием слабых сил приводит к движению тектонических плит и обеспечивает энергией звезды. Они же делают возможным существование атомных реакторов и ядерного оружия.
Имеется три вида нейтрино. У всех у них разные массы, и взаимодействуют они несколько по-разному. Как видно из таблицы, массы нейтрино составляют лишь крохотную часть массы электрона, но по крайней мере в двух случаях (а возможно, во всех трех) не равны нулю. Поскольку нулю равны и электрический, и цветной заряд нейтрино, взаимодействуют с обычной материей они минимально, что сильно затрудняет их изучение. Когда, как того требовала теория, Вольфганг Паули[145] выдвинул идею существования нейтрино, он не направил свою работу в периодический физический журнал. Вместо этого он написал покаянное неформальное письмо участникам конференции по ядерной физике, где сетовал: «Я сделал сегодня что-то ужасное. Физику-теоретику никогда не следует делать такого. Я предположил нечто, что никогда нельзя будет проверить экспериментально»[146].
Но экспериментаторы приняли двусмысленный вызов Паули: построили и оснастили гигантские детекторы. Сегодня физика нейтрино представляет собой огромное, бурно развивающееся поле деятельности. Среди прочего, эксперименты дают нам ясное представление и о происходящем в солнечном ядре, и о бурных превращениях при взрывах сверхновых звезд, сопровождающихся выделением огромного количества энергии.
Наконец, в главе 8 подробно описана частица Хиггса, которая и была там главным действующим лицом.
Переходим к группе элементарных частиц, о которых мы по-настоящему мало что знаем. Все эти «бонусные» частицы нестабильны. Они обнаружены среди продуктов распада ядер при столкновениях в космических лучах (в начале XX века) и на ускорителях частиц (совсем недавно). Когда в 1936 году открыли первую из них — мюон, — известный физик Исидор Раби[147] воскликнул: «Ну и кто это заказывал?», выразив этим шуточным замечанием, ставшим легендарным, общее недоумение научного сообщества. Массы бонусных частиц варьируются в широком диапазоне, никакой закономерности в их значениях не просматривается, что можно увидеть в следующей таблице.
Эти частицы образуют три группы. Глядя на их свойства, можно заметить, что c- и t-кварки являются более тяжелыми и нестабильными версиями u-кварка; s- и b-кварки — более тяжелыми и нестабильными версиями d-кварка, а мюон и тауон — более тяжелыми и нестабильными версиями электрона.
И последняя наша «элементарная частица» находится в стадии изучения. Она связана с проблемой темной материи, описанной в главе 9. Напомню: астрономы не раз наблюдали действие более сильной гравитации, чем могли объяснить.
