Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - [245]

Каждый кварк, например

может находиться в одном из трех цветовых состояний:

это же относится и к кваркам из серой и темной мастей. Антикварки несут соответствующие антицвета: античастица к красному кварку – антикрасная и т. д. (в том, чтобы запоминать, что, скажем, дополнительный к синему цвет – желтый, большого смысла уже нет). Но в свободном состоянии – «по отдельности» – в природе могут существовать только бесцветные комбинации кварков, т. е. такие, где цвета в сумме дают нуль в соответствии со сформулированными правилами. Частицы, несущие цвет – ненулевой заряд сильного взаимодействия, не наблюдаются в природе поодиночке. Протон и нейтрон, а также все многочисленные короткоживущие частицы, которые можно собрать из кварков, должны быть бесцветными: их полный цветовой заряд должен быть равен нулю. Поэтому, когда мы говорим, что протон =

нам надо дополнительно раздать по цвету на каждый из кварков таким образом, чтобы все вместе было бесцветным по правилу сложения трех цветов. В общем, цветные карты, представляющие кварки, оказываются немного шулерскими: их больше, чем кажется, и, я бы сказал, они мельтешат перед глазами так, что не все разглядишь: кварки непрерывно обмениваются цветами. В случае протона это «мельтешение» устроено так. Один из трех кварков, который мы временно снабдим меткой 1, может находиться в одном из цветовых состояний К[расный], З[еленый] или С[иний]; чтобы помнить, что это состояния «первого» кварка, обозначим их как |К⟩_1, |З⟩_1, |С⟩₁, и аналогично поступим с двумя другими кварками; тогда математика, определяющая правила обращения с кварками, предписывает такое цветовое состояние трех кварков внутри протона:

И при этом каждый из кварков, обозначенных как 1, 2, 3, может быть u- или d-кварком (при условии, что всего имеются два u и один d), а кроме того, каждый может находиться в одном из двух спиновых состояний – в результате полная картина того, как три кварка складываются в протон, еще усложняется.

Вторая колода, с буквой B на рубашках, не содержит никаких мастей. Все частицы там – бозоны (рис. В.4). Они заняты тем, что переносят какое-то из известных взаимодействий. Важны для устройства Вселенной все они без исключения, но мы лучше всего знакомы с фотонами, причем не в роли переносчика взаимодействия, а просто в виде света. Переносчиками же взаимодействия, скажем, между двумя электронами работают не совсем настоящие, а виртуальные фотоны. Слово «виртуальный» часто опускают, но его всегда следует подразумевать, когда речь идет именно о передаче взаимодействий; виртуальные кванты (виртуальные фотоны, виртуальные электроны) – это возбуждения поля с несколько «непостоянным» статусом существования, и главное их отличие от настоящих квантов – отсутствие фиксированной массы. (В ваш фотоаппарат и на сетчатку глаза, наоборот, попадают вовсе не виртуальные, а «полноценные» фотоны; в атоме сидят «полноценные» электроны и т. д.)

Рис. В.4. Бозоны, входящие в Стандартную модель элементарных частиц. Числа слева вверху указывают электрический заряд. Обозначения: γ – фотон, Z – зет-бозон, W⁺ и W^– – дубльвэ-бозоны, g – глюон(ы). Одна карта лежит рубашкой вверх

Взаимодействие одного поля с другим – факт, который мы умеем учитывать в нашем описании природы, но про который мы не спрашиваем, почему именно такие взаимодействия есть в нашей Вселенной, а каких-то других нет; наши представления о взаимодействии полей – это очередное обобщение наблюдений. Согласно этим наблюдениям, взаимоотношения бозонов, показанных на рис. В.4, с фермионами на рис. В.3 отчасти выборочны: бозоны, переносящие какое-либо взаимодействие, вступают в контакт не со всеми фермионами, а только с теми, у которых не равен нулю заряд по отношению к данному взаимодействию. «Вступить в контакт» здесь означает быть испущенным или поглощенным. И поглощение, и испускание – элементарные процессы, которые не раскладываются ни на какие составные части: это описание на языке частиц того, как поля обмениваются энергией. Через обмен агентами и реализуется каждое из взаимодействий: электромагнитное, слабое и сильное. Но агенты из колоды B «немножко козыри» в том смысле, что им безразличны масти карт из колоды F – они обращают внимание только на значения. Вот что они делают.

• Фотон (γ) – переносчик электромагнитного взаимодействия. Он вступает в контакт только с теми элементарными частицами, у которых есть электрический заряд. На рис. В.3 это все, кроме трех нейтрино. Сам же фотон электрического заряда не имеет, из-за чего при испускании и поглощении фотона электрический заряд участников этого процесса не меняется. Фотон – античастица сам себе.

• Зет-бозон (Z) и дубльвэ-бозоны (W^±) – частицы, которые не получили хороших названий, а вместо этого содержат в своем имени технический термин «бозон»; они являются переносчиками слабого взаимодействия. Один из них (Z) нейтральный по электрическому заряду (и античастица сам себе). Два других (W^±) имеют заряды +1 и –1 (и являются античастицами друг для друга) – единственный случай, когда переносчик некоторого взаимодействия сам чувствителен к другому взаимодействию (в данном случае – электромагнитному). Слабое взаимодействие