Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - [184]
Свет – безмассовое поле спина 1
Еще один пример поля спина 1 постоянно находится у нас перед глазами – постоянно, пока в глаза попадает хотя бы самая малая частица света. Электромагнитное поле («свет») имеет спин 1, его кванты – фотоны. Но со светом, как всегда, что-нибудь не так, как у всех. Из-за того что фотоны распространяются с максимальной в нашей Вселенной скоростью, они безмассовые. После математической обработки этого факта с использованием свойств пространства-времени оказывается, что фотон несколько обделен богатством внутреннего мира по сравнению со своим массивным собратом Z-бозоном: его компонента спина может иметь только два различных значения. Вместо трех остается два. (Это свойство света можно наблюдать в виде наличия двух базовых плоскостей поляризации.) Но это удвоение не годится для разрешения «загадки удвоения» в Периодической таблице, потому что электроны не летают со скоростью света.
А каждый квант поля спина 2 имеет внутреннее изобилие в виде пяти возможных значений компоненты спина: –2 ħ, –ħ, 0, ħ, 2 ħ (здесь участвуют целые числа в интервале от – s до s, когда s = 2). В природе такие фундаментальные поля нам, впрочем, неизвестны. Богатство заметно сокращается, если поле спина 2 безмассовое: тогда у его квантов есть только два возможных значения компоненты спина. (Снова двойка! Увы, снова не для электронов.) Такое поле известно широко и простирается далеко: это гравитационное поле – Агент, неотступно сопровождавший нас на прогулке 7. Правда, полной квантовой теории для него нет; если бы была, то это была бы теория безмассового квантового поля спина 2. И для полноты: кванты поля спина 0 лишены возможностей для внутренней самореализации. Если s = 0, то кванту не из чего выбирать. Синоним для обозначения этой скукотищи – скалярное поле, и его пример мы уже упоминали – поле Хиггса. Его квант – бозон Хиггса. Жизнь, как видим, не балует его разнообразием.
Но что же электрон? Малые целые числа в качестве значения спина (s = 0, s = 1 и s = 2) исчерпаны, более высокие заведомо не подходят, никаких возможностей на долю электрона не осталось?!
Спин электрона, наконец-то! Спин электрона равен 1/2. Это бросает некоторый вызов правилам целочисленности, к которым мы только-только привыкли на этой прогулке. Отчасти из-за дробности ситуация со спином электрона прояснилась не сразу. Зато когда прояснилась, обнаружились связи с довольно тонкими свойствами пространства. В Институте теоретической физики в Копенгагене (теснейшим образом связанном с рождением квантовой механики) при участии Дирака изобрели даже детскую головоломку для иллюстрации этих свойств. В простейшем варианте, который я сделал из подручных средств минут за пять, требуется, скажем, кусок плотного картона или даже дощечка, если вы в состоянии проделать в ней три небольших отверстия (рис. 10.15). В эти отверстия вставляются три нити такой толщины, чтобы с ними было легко обращаться. Все нити выходят в одну сторону, и в «официальном» варианте головоломки противоположные их концы закреплены на второй дощечке; с равным успехом их можно привязать к стулу, и я так и сделал. Дощечка, из которой выходят три нити, остается у вас в руках. Все это устройство называется «танглоид» – это слово произведено от корня tangle, означающего путаницу, переплетения, иногда хитросплетения. Большой хитрости, впрочем, нет: вы поворачиваете дощечку на два полных оборота, т. е. на 720°, и после этого следите за тем, чтобы она больше не поворачивалась. Нити, естественно, перекручиваются. Задача же в том, чтобы их распутать, не поворачивая дощечку. Для этого разрешается заводить любую нить за дощечку и обносить вокруг нее. Головоломка несложная: даже действуя, в общем, наугад, решение удается найти с первой или второй попытки. Но только если вы повернули дощечку на 720°: если на 360°, т. е. на один полный оборот, то решения нет и нити остаются запутанными.
Рис. 10.15. Танглоид. Дальние концы трех нитей привязаны к чему-то неподвижному. Дощечку или картонку, сквозь которую продеты нити, поворачивают вокруг оси, идущей параллельно нитям, на один или несколько полных оборотов (360°, 720° и т. д.). Перекрученные в результате нити требуется распутать, обводя их по очереди вокруг дощечки, но не поворачивая ее саму. Задача легко решается при закручивании на четное число полных оборотов и не имеет решения для нечетного
В одном полном повороте есть что-то, что пропадает в двух полных поворотах.
Поле со спином 1/2 – это тоже наборы из нескольких «одинаковых» колебательных систем, снабженных различными метками. Но из-за специфики полуцелого значения требуется, чтобы они складывались в такое «цельное и осмысленное», которое ведет себя при поворотах похоже на дощечку-танглоид: меняется при произвольных поворотах так, что не остается неизменным при одном полном повороте на 360° вокруг любой оси, но не меняется при двух полных поворотах. Только это должны быть не дощечки с нитками, а какие-то наборы чисел – если такие найдутся, то их поведение при поворотах и определит, как ведут себя при поворотах колебательные системы поля с различными метками.
