Текст книги "Десять великих идей науки. Как устроен наш мир."

Автор книги: Питер Эткинз (Эткинс)

сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 31 страниц)

На этой стадии нам необходимо отметить два свойства фотонов, которые пригодятся нам позднее. Фотон не имеет массы и, как и электрон, обладает спином, который не может быть уничтожен. По техническим причинам, связанным с квантово-механическим описанием спина, электрону приписывается спин, равный одной второй от единицы момента импульса. По тем же причинам фотону приписывается единичный спин. Частицы с полуцелым спином (включающие в себя, кроме электронов, протоны и нейтроны) называются фермионамив честь итальянского физика Энрико Ферми (1901-54), который открыл способ описания их ансамбля, а также возглавлял во время войны проект по созданию первого ядерного реактора в рамках проекта Манхэттен. Частицы с целым спином называются бозонамив честь индийского физика Сатьендранатха Бозе (1894-1974), который изучал статистические свойства систем, состоящих из большого числа таких частиц, как, например, контейнеры, наполненные светом, или солнечные лучи. Оказывается, что все фундаментальные частицы вещества являются фермионами, в то время как все частицы-переносчики взаимодействия являются бозонами. Поэтому описание материи, как ансамбля фермионов, удерживаемых вместе бозонами, является очень глубоким.

Любой задумчиво созерцающий звезды влюбленный мог бы сказать вам, что фотоны не имеют массы, ибо то, что мы можем видеть звезды, является прямым следствием этой безмассовости. Цепочка аргументов, доказывающих это, примерно следующая. Во-первых, мы видели в конце главы 3, что частицы, живущие очень короткое время, обладают большой неопределенностью энергии. Далее, для того чтобы частицы-переносчики взаимодействия с данной массой могли появиться, они должны позаимствовать энергию, пропорциональную их массе (согласно E = mc ²): тяжелые частицы соответствуют присутствию большой энергии. Частицы могут появиться, минуя полицию, следящую за выполнением закона сохранения энергии, только если они живут столь короткое время, что кража при любой ревизии энергии будет сокрыта под неопределенностью. Следовательно, тяжелые частицы могут появиться, не будучи задержаны полицией сохранения энергии, только если они живут очень короткое время (вы имеете возможность смыться с прихваченным миллиардом – долларов в течение пикосекунды). И, наконец, третье звено в цепочке аргументов. За время своего существования частица-переносчик взаимодействия летит с высокой скоростью, и расстояние, которое она может пролететь, пропорционально времени, отведенному ей для жизни. Тяжелая частица-переносчик взаимодействия со своим коротким временем жизни, не может путешествовать далеко. С другой стороны, для того чтобы частица-переносчик взаимодействия улетела бесконечно далеко, она должна жить вечно, что может произойти без ареста со стороны полиции сохранения энергии, только если в начале полета ничего не было похищено. То есть она не должна иметь массы. Следовательно, для того чтобы электромагнетизм имел бесконечный радиус действия, фотон должен быть безмассовым. Если бы фотон имел массу, электромагнитное излучение было бы неспособно преодолевать большие расстояния, и мы не могли бы видеть звезд; наш влюбленный не созерцал бы звезды. Если бы фотон в самом деле был тяжелым, атомы распались бы, потому что притяжение ядер не смогло бы распространиться достаточно далеко для того, чтобы захватить электроны.

Третьей знакомой силой является гравитация. Гравитация действует между частицами, но она гораздо слабее, чем электромагнитное взаимодействие. Например, гравитационное взаимодействие между двумя электронами в 10 ⁴²раза слабее, чем их электромагнитное взаимодействие. Там, где гравитационная сила могла бы сдвинуть блоху весом один миллиграмм, электромагнитная сила сдвинула бы миллион Солнц. То, что мы не затоплены электромагнетизмом и можем ощущать гравитацию, является следствием того факта, что Вселенная состоит из равного числа положительно и отрицательно заряженных частиц, так что притяжение и отталкивание аннулируются в космическом масштабе. А вот гравитация имеет только один знак: существует лишь гравитационное притяжение, нет никакого отталкивания, поэтому нет и аннулирования. Все частицы Вселенной действуют хотя и слабо, но сообща, и мы испытываем силу их совместного притяжения. Локально первостепенными являются электромагнитные силы: ваша форма определяется в большой мере электромагнитными силами, и тот факт, что вы не растекаетесь по земле в виде бесформенной лужи, обязан своим существованием подавляющему преобладанию электромагнетизма над гравитацией.

Существует идея, что у гравитации тоже есть частица-переносчик взаимодействия. По крайней мере, она имеет название – гравитон, —но пока не обнаружена, поскольку очень слабо взаимодействует с веществом. Гравитон – это безмассовый бозон, как и фотон, но вращается в два раза быстрее. То, что гравитация распространяется на почти бесконечное расстояние, является признаком того, что гравитон не имеет массы. Любой опытный моряк мог бы сказать вам, что гравитон имеет спин 2, поскольку существует цепочка тонких аргументов, связывающая эту двойную скорость вращения с тем фактом, что в наших океанах приливы случаются дважды в день.

Теперь мы подходим к двум незнакомым силам, сильному взаимодействиюи слабому взаимодействию. Хотя они и незнакомы, но думающая личность могла бы сделать вывод о существовании сильного взаимодействия. Аргументы таковы. Ядра состоят из протонов и нейтронов, сложенных в месте в очень малом объеме. Электромагнитная сила отталкивает протоны друг от друга (поскольку они имеют одинаковый заряд, а одинаковые заряды отталкиваются), поэтому у ядра имеется сильная тенденция к распаду. (Некоторые из ядер радиоактивных элементов, таких как радий, именно так и поступают, и именно по этой причине.) Что удерживает протоны в ядре? Более того, почему незаряженные нейтроны просто не выпадают?

Что их удерживает? На нейтроны не действует никакая электрическая сила, поэтому они должны притягиваться чем-то еще. Коротко говоря, раз большинство ядер не распадается, и раз большинство из них удерживает свои нейтроны, должна существовать сила, превосходящая электромагнитную силу, которая действует между протонами, между нейтронами и между протонами и нейтронами. Кроме того, поскольку все вещество во Вселенной не свернулось в одно огромное ядро, это притягивающее сильное взаимодействие должно иметь очень короткий радиус действия, не превосходящий примерно диаметра ядра.

Здесь я должен сделать предупреждающее замечание. Нейтроны и протоны являются составными частицами, сложенными из кварков(см. ниже). То, что мы рассматриваем в действительности, является не чистым взаимодействием между нуклонами – общим результатом притяжения между одними компонентами и отталкивания между другими, – а более детализированным взаимодействием между их индивидуальными составляющими. А в этом может заключаться огромная разница. Например, вы и я, даже в тесных объятьях, имеем фактически нулевую электромагнитную силу, действующую между нами, несмотря на то, что ядра наших атомов сильно отталкиваются друг от друга, и наши электроны тоже друг от друга сильно отталкиваются: эти сильные отталкивания аннулируются сильными притяжениями между вашими и моими электронами и ядрами (рис. 6.9). Поэтому, если мы думаем о нас с вами, как о двух композициях частиц, то факт, что наше результирующее электромагнитное взаимодействие равно нулю, аннулирует тот факт, что наши компоненты имеют очень сильное дальнодействующее взаимодействие.

Рис. 6.9.Здесь показан необычайно тонкий баланс между двумя электрически нейтральными телами, состоящими из электронов (серый фон) и ядер (черные точки). Сила отталкивания между электронами в двух таких шарах с водой (представляющих человеческие тела в тесных объятиях) составляет триллионы и триллионы ньютонов (Н, единица силы; один ньютон приблизительно равен силе тяготения, действующей на стограммовое яблоко на дереве). Отталкивающая сила между ядрами имеет такое же значение. Однако притяжение между электронами одного тела и атомами другого также составляет триллионы и триллионы ньютонов, и по счастливой случайности отталкивание и притяжение в точности компенсируют друг друга. Это означает, что между нами в результате нет ни притяжения, ни отталкивания.

Подобным же образом конечное взаимодействие между ядрами, которые являются составными частицами, может быть совершенно отличным от силы, действующей между составляющими их кварками. Это и в самом деле так. Остаточнаясила, действующая между нуклонами, имеет очень короткий радиус действия, диаметр ядра. Однако силы, действующие между индивидуальными кварками, действительно «сильные», имеют бесконечный радиус действия, а их частицы-переносчики взаимодействия являются безмассовыми бозонами и называются глюонами. В отличие от знакомых сил, сильное взаимодействие становится сильнее с возрастанием расстояния между кварками. Позднее мы более подробно исследуем глюоны и «сильные заряды» этого вывернутого наизнанку мира.

Я не ожидаю от вас догадок о существовании слабого взаимодействия или каких-либо его свойств. Слабые силы были предложены, чтобы объяснить определенные виды радиоактивного распада. Хотя об этом лучше всего думать на языке кварков, конечное действие этой силы можно вообразить как влияние, которое медленно дергает нейтрон и, вырывая из него электрон, превращает в протон. Электрон выскакивает из ядра и порождает форму радиоактивности, известную как β-распад (бета-распад). Слабая сила имеет очень короткий радиус действия, меньший, чем диаметр ядра. Она передается частицами, которые называются W и Z векторными бозонамис массами около восемнадцати и девятнадцати масс протона соответственно.

В целом частицы-переносчики взаимодействия называют калибровочными частицами. Происхождение этого странного и сухого названия вскоре станет ясным. А пока достаточно будет сказать, что фотон, гравитон, векторные бозоны и глюоны являются калибровочными частицами, и это первый из получаемых нами намеков на то, что фундаментальные силы имеют общий источник. И в самом деле, начатая Максвеллом унификация сил дошла до объединения электромагнитного и слабого «взаимодействий в единую силу, называемую электрослабым взаимодействием. Эта унификация является проявлением симметрии, и мы еще вернемся к ней, когда познакомимся с зоопарком частиц более подробно.

Зоопарк делится на два больших парка. В одном парке бродят «адроны», в другом «лептоны». Адроныявляются частицами, которые участвуют в сильном взаимодействии. В парке адронов мы рассмотрим только сами кварки, поскольку все причудливые творения, гуляющие там (протоны, нейтроны и много других занятных диковин), строятся из этих кварков посредством законов, основанных на специальном виде симметрии. Возможно, вы слыхали в этой связи о восьмеричном пути [24]24
  Это название Гелл-Манн почерпнул из буддизма, философию которого счел убедительной. Восьмеричный путь – это путь Будды, состоящий из восьми ступеней, который, избегая двух крайностей – чувственного сладострастия и самоистязания, – ведет к просветлению и освобождению от страданий. – Прим. пер.


[Закрыть](рис. 6.10). Восьмеричный путь представляет собой род периодической таблицы адронов, в которой они классифицируются на основе специальной группы преобразований симметрии. Протон и нейтрон принадлежат одному семейству, и мы можем рассматривать их родство через изоспин как аналог триады (в данном случае диаду) Доберейнера для частиц, фрагмент узора общей классификации. Лептонамиявляются все остальные частицы: они являются частицами, не участвующим в сильном взаимодействии.

Рис. 6.10.Восьмеричный путь – это способ классификации и соотнесения элементарных частиц, довольно похожий на периодическую таблицу химических элементов. Здесь мы видим график для восьми частиц (только протон  pи нейтрон n, видимо, нам знакомы, но они являются экзотическими единоутробными братьями), где по одной оси отложен изоспин (обсуждавшийся в тексте), а по другой оси – еще один вид внутренней симметрии, называемый гиперзарядом. Этим «путем» восемь частиц оказываются связанными. Более изощренные схемы улавливают и другие частицы.

Довольно любопытен и требует объяснения факт, что существуют три семейства адронов и три семейства лептонов (рис. 6.11). Как это случается и с типичными семействами в реальной жизни, три семейства частиц состоят из двух групп частиц, которые образуют два поколения.

Давайте сначала посмотрим на лептоны. Одно семейство содержит электрон и электронное нейтрино, другое – мюон и его нейтрино, а третье – тау-частицу (тау-лептон) и ее нейтрино. Нейтрино имеет очень маленькую массу – много меньшую, чем масса электрона, – а возможно, даже равную нулю; пока никто точно не знает. Нейтрино не имеют заряда, обладают очень малой массой, но спин у них равен одной второй. Чтобы эти три типа нейтрино различались, у них должно быть и другое свойство; за неимением лучшего слова его назвали ароматом. Поэтому нейтрино являются почти безмассовыми, спиновыми и ароматными. Мюон похож на умеренно утяжеленный электрон, с таким же зарядом и спином, но в 204 раза тяжелее, настолько тяжелее электрона, насколько шар для боулинга тяжелее шарика для пинг-понга. Тау-лептон намного более тяжел и имеет вес около 3500 электронов, настолько тяжелее электрона, насколько большая собака тяжелее шарика для пинг-понга.

Существуют также античастицыэтих частиц. Античастицы – частицы антивещества – представляют особый интерес для писателей-фантастов из-за экзотического звучания их наименования. Они не экзотичны: оно просто довольно редки. Античастицы имеют все свойства соответствующих частиц, но противоположный знак заряда. Например, античастицей электрона является положительно заряженный позитронс такой же массой и спином, как у электрона. Один из вопросов, которые мы должны будем рассмотреть: почему вокруг нас так мало антивещества, почему во Вселенной существует асимметрия между веществом и антивеществом?

Лептоны
Электрон	0,00054	Мюон	0,11	Тау	1,9
Электронное нейтрино	<10 -8	Мюонное нейтрино	<0,0003	Тау-нейтрино	<0,033
Адроны
u-кварк	0,0047	с-кварк	1,6	t-кварк	189,0
d-кварк	0,0074	s-кварк	0,16	b-кварк	5,2

Рис. 6.11.Таблица трех семейств элементарных частиц, показывающая два поколения лептонов и адронов (кварков) в каждом случае. Массы измеряются в единицах массы протона.

Как мы видим на иллюстрации (рис. 6.11), шесть кварков, которые составляют адроны, также распадаются на три семейства с двумя поколениями в каждом. Как и для лептонов, мы можем различать семейства по их массам. Кварковыми двойниками электрона и его нейтрино являются верхний кварк ( u-кварк, от англ. up) и нижний кварк ( d-кварк, от англ. down), весящие в 8,7 и 13,7 раза больше электрона соответственно. Кварковыми двойниками мюона и его нейтрино являются очарованный кварк ( c-кварк, от англ. charm) и странный кварк ( s-кварк, от англ. strange), весящие 3000 и 300 масс электрона соответственно. Двойниками тау-лептона и его нейтрино являются истинный кварк ( t-кварк, от англ. truth) (был обнаружен последним из всех, в 1995) и красивый кварк ( b-кварк, от англ. beauty), весящие как слоны, 350 тысяч и 10 тысяч масс электрона соответственно. Об этих различных вариациях кварков – верхний, нижний, странный и так далее – говорят, так же как о различных нейтрино, как об имеющих различные ароматы. Большая часть знакомого нам вещества (в частности, протоны и нейтроны в ядрах и электроны в атомах) сделаны из лептонов и кварков первого семейства (электрон, его нейтрино, –  u– и d-кварки), а другие семейства вносят вклад только в более экзотические формы вещества. Откровенно говоря, существование второго и третьего семейств кажется излишним, но, без сомнения, для этого имеется причина, поскольку причина имеется для всего. Не лежит ли причина в симметрии? Мы увидим, что ответ, возможно, является утвердительным, если понятие симметрии соответствующим образом расширить.

Ни один из кварков никогда не наблюдался отдельно. Это подводит меня к необходимости сделать одно замечание, чтобы подготовить ваш ум к оценке еще одной подвижки научной парадигмы, которая произойдет к концу этой главы. Греки по большей части терпели неудачи как ученые, поскольку они избегали экспериментирования или не пользовались им: у них была только теория, не контролируемая и не поддерживаемая опытом. Тот факт, что кварки не были непосредственно зарегистрированы, а в их существование верят, поскольку этого требует успешная на сегодняшний день теория, и их существование подтверждается огромным количеством косвенныхэкспериментов, является, возможно, опасным шагом назад к грекам и, без сомнения, угнетает позитивистов. В этом месте теория построена довольно умно, и нисколько не оказывается подорванной, потому что она сама и предсказывает, что изолированные кварки не могут быть обнаружены, ибо, как было упомянуто, сильное взаимодействие между кварками возрастает с ростом расстояния между ними, так что они никогда не могут покинуть образованные ими комбинации. Поэтому то, что они необнаружены, является частью доказательства их существования! Так поверить ли нам в кварки или отвергнуть их, как когда-то были отвергнуты атомы, сочтенные лишь вычислительными символами? Они объясняют так много, включая и экспериментальные следствия их существования, что мы, вероятно, поверим. Если вас удовлетворяет такой вид веры, такой вид реальности, то вы сочтете возможным принять и то, что последует дальше.

Вот и все, что относится к делу: три семейства фермионов с похожими свойствами, за исключением их спинов и различия их способностей вступать в различные взаимодействия, особенно в сильные взаимодействия. Все существующее, насколько мы знаем, построено из этих компонент, связанных вместе, как они есть, четырьмя типами калибровочных бозонов. Мир в сущности необычайно прост.

А вот наше описание мира недостаточно просто. Пусть и очень маленькое, но это число частиц – четыре фермиона (если мы сосредоточимся на первом семействе) и несколько калибровочных бозонов – все еще является огромным, если мы ищем истинную простоту. Мы уже отмечали, что W– и Z-бозоны в слабом взаимодействии и фотоны в электромагнитном взаимодействии являются различными ликами частиц-переносчиков электрослабого взаимодействия. А не может ли быть, что все фермионы есть различные лики одной и той же сущности, и все бозоны тоже? Не может ли быть, в конце концов, что фермионы и удерживающие их вместе бозоны в действительности являются различными ликами единственнойсущности? Вот это было бы тем самым, тем, что приближает нас к истинной простоте.

Похоже, что дело именно так и обстоит. Однако, чтобы понять, что это означает, нам придется вернуться к теме этой главы, симметрии, и увидеть, как симметрия создает возможности для углубленного понимания того, что кажется нам предельным. Чтобы наглядно вообразить, как симметрия может связывать не связанные с виду вещи, вы можете представить себе куб. Если смотреть сверху, он выглядит квадратом. Если смотреть со стороны угла (и закрыть один глаз), он выглядит как шестиугольник (рис. 6.12). Вращение куба превращает квадрат в шестиугольник. Это очень странное превращение для двумерного наблюдателя, но оно является самой простотой для нас, имеющих доступ к третьему измерению. Полезно держать в голове этот образ, когда мы говорим о преобразованиях симметрии, которые связывают не связанные с виду вещи.

Рис. 6.12.Держите в уме эту аналогию, читая оставшуюся часть главы: она показывает две, с виду не связанные, двумерные формы (квадрат и шестиугольник), которые можно рассматривать как разные виды одного объекта более высокой размерности, куба.

Природа имеет замечательное свойство, называемое калибровочной симметрией. Это унылое, беспомощное и нелепое наименование сложилось исторически еще до того, как физики, изучающие частицы, воодушевленные свингующими 60-ми, стали пользоваться такими названиями, как странность или очарование, и задолго до того, как они снова стали здравомыслящими, когда волосы стали короче, а хиппи вышли из моды, когда радужность их языка поблекла, и они снова докатились до названий типа «промежуточные векторные бозоны». Калибровочная симметрия – это одна из абстрактных, внутренних симметрии, о которых я вас уже предупреждал. Однако, если ее разумно интерпретировать, она становится очень могущественной, поскольку является симметрией, обнаруживающей происхождение силы.

Чтобы понять калибровочную симметрию, нам необходимо вернуться к уравнению Шредингера для электрона и к его решению, волновой функции. Волновая функция имеет одно свойство, фазу, которое может быть изменено без всякого видимого физического результата. Эта симметрия возникает из свойства, отмеченного нами ранее: только квадрат величины волновой функции в любой точке имеет физическую значимость, поэтому мы можем видоизменять саму волновую функцию, если ее квадрат остается тем же самым. Будет удобно проиллюстрировать изменение фазы волновой функции свободной частицы вращением волны вокруг направления ее движения (рис. 6.13). Изменение фазы таким образом является примером калибровочного преобразования. Это одно из преобразований внутренней симметрии, о которой я уже упоминал, поскольку, если бы вы закрыли глаза, пока я деловито подкручиваю фазу, вы не смогли бы узнать с помощью физических измерений (которые зависят от квадрата волновой функции, а не от самой волновой функции), делал я что-нибудь или нет. Если мы всюду изменим фазу волновой функции на постоянную величину, то уравнение Шредингера не должно измениться, поскольку все волны со сдвинутыми фазами также являются его решениями. Другими словами, калибровочное преобразование на постоянную величину является симметрией уравнения Шредингера. Эта группа преобразований симметрии – изменение фазы на любую величину между 0° и 360° – называется U(1), где 1 означает, что меняется только одно свойство. Термин «группа симметрии U(1)» является просто экстравагантным способом ссылки на нашу возможность изменять на любую величину лишь один параметр, фазу волны, и не означает ничего более умного.

Рис. 6.13.Представление калибровочных преобразований. Верхняя диаграмма показывает волновую функцию свободной частицы. Нижняя диаграмма показывает, как изменяется волновая функция, когда ее фаза меняется всюду на одну и ту же величину. Чтобы показать изменение фазы, мы использовали условное вращение волны вокруг направления ее движения. Амплитуда волновой функции не меняется от этого преобразования, поэтому волновая функция несет ту же самую информацию о положении частицы. Калибровочное преобразование представляет собой поэтому симметрию системы.

Вообще говоря, калибровочное преобразование может принимать разные значения в разных точках пространства; другими словами, мы можем изменять фазу волновой функции на различные в каждой точке величины (рис. 6.14). Предположим, мы так и делаем и по-прежнему требуем чтобы уравнение Шредингера оставалось неизменным; то есть мы требуем от этого уравнения калибровочной инвариантностиотносительно всех операций группы U(1), допускающих различные сдвиги фазы в каждой точке пространства. Теперь возникает нечто замечательное. Чтобы гарантировать калибровочную инвариантность в этом более общем случае, мы должны ввести в уравнение еще один член. Этот член эквивалентен наличию электромагнитной силы, действующей на электрон.Другими словами, требование калибровочной инвариантности влечет существование электромагнитной силы. И смыслом этого является то, что требование симметрии требует и существования силы. Симметрия управляет.

Рис. 6.14.На этой диаграмме мы попытались передать более общее калибровочное преобразование, в котором фаза меняется по-разному в каждой точке, так что угол отклонения от вертикали различен в каждой точке (как показано в круге). Мы упростили представление, предположив, что внутри каждой полуволны угол поворота одинаков: в реальности изменения были бы непрерывными. Инвариантность относительно этого вида калибровочного преобразования влечет существование силы.

Мы видели, что калибровочная инвариантность уравнения Шредингера относительно группы преобразований симметрии, которую мы назвали U(1) – группы, имеющей дело с фазой, – влечет существование электромагнитной силы. На ум, естественно, приходит вопрос: а не являются ли другие силы также следствием калибровочной инвариантности? То есть не существует ли более сложный способ совершать преобразования волновых функций частиц, требующий, для того чтобы уравнения оставались неизменными, присутствия в них дополнительных членов, которые мы могли бы интерпретировать как другие виды сил? Успех этой попытки показал бы, что все силы имеют общий источник.

Стивен Вайнберг (р. 1933), Абдус Салам (1926-96) и Шелдон Глэшоу (р. 1932) пришли к этому синтезу электромагнитной и слабой сил в 1973 г., и их работа привела к формулированию принятой сегодня стандартной моделиобъединенных сил. Группу преобразований симметрии они определили как комбинацию группы U(1), дающей электромагнитную силу, и другого, более сложного множества преобразований, называемого SU(2), которое объясняет слабое взаимодействие. Тот факт, что полная группа симметрии является комбинацией U(1) и SU(2), обозначаемой как U(1)×SU(2), говорит нам, что эти два типа сил имеют общее происхождение. Это два лика электрослабого взаимодействия. Вспомните аналогию с кубом: электрослабое взаимодействие подобно кубу, электромагнитная сила подобна квадрату, видимому при одной ориентации куба, а слабая сила подобна шестиугольнику, который виден, когда куб поворачивается под другим углом.

Когда электрослабое взаимодействие квантуется, из той части теории, которая представлена U(1), получаются фотоны. Часть SU(2) порождает три частицы, «промежуточные векторные бозоны» этой теории, состоящие из двух W-частиц(с двумя противоположными зарядами) и одной электрически нейтральной Z-частицы. Все четыре частицы имеют спин 1 и являются примерами калибровочных бозонов. Фотон был фактически открыт в 1905 г., когда Эйнштейн пролил свет на фотоэлектрический эффект (глава 7), a W– и Z-частицы были обнаружены в 1983 г. в экспериментах на ускорителе в CERN. [25]25
  Европейский центр ядерных исследований. – Прим. пер.


[Закрыть]

Калибровочная симметрия, обсуждаемая нами, не может быть полной, поскольку W– и Z-частицы имеют массу – много массы, так как они соответственно в восемьдесят и девяносто раз тяжелее протона, – в то время как фотон массы не имеет. В нашем обсуждении симметрии изоспина нуклонов и скрытой симметрии периодической таблицы разница в массах должна была появляться из-за взаимодействия, которое нарушает исходную симметрию частиц. Это нарушение симметрии приписывается взаимодействию W– и Z-частиц посредством еще одного поля, называемого полем Хиггса, так же как разница масс протона и нейтрона приписывается их взаимодействию с электромагнитным полем. Хиггсовский механизм приобретения массы получил свое название в честь предложившего его Питера Хиггса (р. 1929); подобный же механизм независимо предложили в 1964 г. Роберт Браут и Франсуа Энглер из брюссельского университета. Поля, разумеется, квантуются, поэтому взаимодействие с электромагнитным полем в действительности означает взаимодействие с частицами квантованного поля, фотонами. Мы можем представлять себе, что фотоны конденсируются на протонах в большей степени, чем на нейтронах, понижая их энергию и, следовательно, их массу. Примерно то же самое происходит с частицами, погруженными в поле Хиггса, называемыми частицами Хиггса, которые в разной степени конденсируются на переносчиках электрослабого взаимодействия. В результате этого W– и Z-частицы приобретают массы, а фотон нет.

Состоятельность такого объяснения нарушения симметрии и приобретения массы зависит от существования частиц Хиггса. До сих пор их никто не видел. Существует два возможных объяснения этого. Одно из них заключается в том, что частиц Хиггса не существует. Это объяснение физикам, исследующим частицы, было бы очень трудно перенести, поскольку соображения симметрии, влекущие существование электромагнитного и слабого взаимодействий и их объединение, неотразимы. А если эти соображения верны, то должен существовать механизм нарушения симметрии, наделяющий некоторые калибровочные бозоны массой. Поэтому нечто вроде хиггсовского механизма действительно должно существовать, иначе рушится весь подход. Вероятно, оно и существует. Другое объяснение состоит в том, что частицы Хиггса могут иметь такую большую массу, что ни один ускоритель пока не может дать достаточную для их обнаружения энергию. Мир физики частиц в настоящее время ожидает реконструкции двух ускорителей, одного в CERN, другого в Лаборатории Ферми к западу от Чикаго, которые после этого будут обладать энергией, достаточной для более интенсивного поиска частиц Хиггса. И тогда либо они будут найдены, либо физикам элементарных частиц придется пересматривать одну из своих наиболее нежно любимых моделей. Надеюсь, вы сможете оценить всю важность этих поисков, поскольку от них зависит наше доверие к современному состоянию науки о веществе.

Сильное взаимодействие тоже оказывается формой проявления калибровочной симметрии. Для этого случая надо отметить, что кварки обладают, наряду с ароматом, специальным видом заряда, наделяющего их способностью взаимодействия друг с другом путем обмена глюонами. Каждый кварк может иметь только один из трех типов этих «сильных зарядов», и физики пришли к приятному соглашению называть эти заряды цветом. Этот цвет не имеет абсолютно ничего общего с настоящим цветом: это просто утонченный способ ссылки на сильный заряд. Итак, цветовой заряд кварка может быть красным, зеленым или синим. Все известные комбинации кварков (триплеты, из которых получаются протоны и нейтроны, и сочетания «кварк-антикварк», создающие глюоны) являются «белыми»: они являются смесями цветовых зарядов, которые в итоге дают белизну, не проявляющую никакого остаточного цветового заряда, так же как настоящий белый цвет является смесью настоящих красного, зеленого и синего.

Теперь мы подходим к новому варианту калибровочной симметрии. Если мы симметрично меняем цвета кварков, варьируя окраску от места к месту, то мы получаем нечто эквивалентное изменению фазы волновой функции. В этом случае три величины, три цвета, дают более сложную картину, чем одна фаза. Вместо простой группы U(1) для электромагнитного взаимодействия и несколько более сложной группы SU(2) для несколько более сложного слабого взаимодействия, нам придется рассмотреть существенно более сложную группу преобразований симметрии, под названием SU(3). Однако, так же как это было для других сил, оказывается, что, для того чтобы уравнения оставались инвариантными относительно этого более сложного калибровочного преобразования, в эти уравнения необходимо включить член, представляющий силу. Этот дополнительный член имеет в точности свойства сильного взаимодействия. Более того, если мы проквантуем это взаимодействие, калибровочные бозоны, существование которых следует из уравнений, являются безмассовыми частицами со спином 1, ответственными за силы, действующие между цветными кварками, то есть глюонами! И снова мы видим, как соблюдение симметрии в природе – на этот раз довольно сложной, скрытой симметрии – влечет существование члена уравнения, который мы опознаем как силу.