Текст книги "Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса"
Автор книги: Йостейн Кристиансен
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 15 страниц)
Благодаря запутанным совпадениям Пензиас и Уилсон наконец узнали о гипотезе Дикке. Когда Дикке со своими коллегами обсуждали конструкцию радиотелескопа, ему позвонил Пензиас. Он сообщил, что уже обнаружил излучение, предсказанное Дикке. Затем Дикке, как говорят, повернулся к своим коллегам и произнес по-голливудски красивое: «Ребята, нас обскакали!»
И ведь действительно обскакали. Однако теория и наблюдения наконец-то сошлись, и все были счастливы. В 1965 году в Astrophysical Journal одновременно были опубликованы две статьи: наблюдения Пензиаса и Уилсона и объяснения этих наблюдений под авторством Дикке и его команды.
А что насчет Альфера и Хермана? Их раннее предсказание реликтового излучения признали не сразу, но вклад ученых должным образом осветил в своей речи Пензиас при получении Нобелевской премии в 1978 году. Что именно уловил их радиотелескоп, Пензиас и Уилсон не понимали, но упорно отказывались признавать это, за что и получили Нобелевскую премию. Сегодня может показаться немного странным, что премию не разделили, например, с Альфером и Херманом.
Семена, проросшие в первичной туманности
Открытие реликтового излучения доказывало существование Большого взрыва. Ну хорошо. А как это связано с темной материей? Вот об этом мы сейчас и поговорим.
Пензиас и Уилсон наблюдали реликтовое излучение, которое было совершенно одинаковым независимо от того, в какую сторону они направляли рупорную антенну. Но удалось бы им сделать еще более точные измерения, и они бы увидели, что излучение все равно не совсем равномерное. В каком-то направлении излучение немного теплее, в другом – чуть холоднее. И если бы они составили точную карту неба, то рассмотрели бы замысловатый узор из горячих и холодных точек. Именно эти пятна делают реликтовое излучение бесценным инструментом при изучении Вселенной.
Пятна в реликтовом излучении никто не замечал до 1992 года, пока астрофизик Джордж Смут не продемонстрировал данные, полученные со спутника СОВЕ. Смут двадцать лет искал эти пятна, поэтому неудивительно, что он позволил себе следующее высказывание: «Что ж, если вы религиозны, то это все равно что увидеть лицо Бога».
С тех пор внимание к пятнам становилось все более пристальным. А самые точные данные мы получили с европейского спутника «Планк». Взгляните на измерения «Планка» на рисунке.
Карта микроволн от Большого взрыва, наблюдаемых спутником Планк. Карта показывает излучение со всего неба. Красный цвет указывает на участки немного горячее среднего, а синим отмечены более холодные участки.
Похоже это на лицо Бога или нет, судить не берусь. Многих, возможно, возмутит, что изображение реликтового излучения выглядит так скучно, особенно если сравнивать с фантастичными фотографиями космоса. Если бы мы посмотрели на это изображение в серых тонах, то оно больше всего напоминало бы белый шум, который иногда возникает во время переключения каналов на старинном телевизоре. И ведь на самом деле: реликтовое излучение виновато примерно в одном проценте телевизионных помех.
Но картинка, которая, на первый взгляд, кажется скучными помехами, сразу же становится гораздо интересней, стоит только вспомнить, на что конкретно мы смотрим. Изображение показывает нам чрезвычайно подробную карту всей небесной сферы и представляет фотографию Вселенной, которой на тот момент, когда рассеялась первичная туманность, было лишь 380 000 лет. Это невероятно точный портрет нашей Вселенной в младенчестве.
В то время, как я уже упоминал, первые звезды и галактики еще не образовались. Вселенная состояла из газа, рассеянного практически равномерно. Но и в этом газе были отдельные области с плотностью как на десятитысячную долю выше среднего, так и ниже. Впоследствии, когда прошло достаточно времени, а Вселенная повзрослела, силы гравитации заставили плотные области сжиматься все сильнее и сильнее и поглощать все больше и больше материи из окружающих областей. Постепенно накопилось достаточно вещества для образования галактик и скоплений галактик, звезд и планет, людей и кофейных чашек. Таким образом, крошечные неоднородности реликтового излучения стали семенами, из которых впоследствии произросло все, что существует вокруг нас.
Семенами я называю области с несколько иной плотностью материи во Вселенной. На карте от «Планка» мы видим, что у излучения есть температура, которая меняется при наблюдении разных мест на небе. Почему разная температура говорит о разной плотности? Представьте себе световую волну, исходящую из места с высокой плотностью. Она стремится убежать из места с внушительными гравитационными силами. Чтобы уйти из такого места, излучение должно бороться с силой тяжести. Подобно тому, как мяч теряет скорость, когда вы подбрасываете его вверх в воздух, борясь с гравитацией Земли, световая волна так же теряет энергию, когда движется против сил гравитации. Световая волна, утратившая энергию, становится более длинной, а большие длины волн соответствуют более низкой температуре.
Вывод из этого следующий: голубые и красные пятна на карте «Планка» позволяют взглянуть на разницу в плотности Вселенной-младенца. И эта карта пятен важна для нас сразу по двум причинам. Во-первых, она дает возможность разобраться, из чего вообще должна была состоять Вселенная, чтобы за 380 000 лет образовался такой узор из пятен. Во-вторых, можно сравнить эту фотографию с тем, что мы видим вокруг себя сегодня. А еще зададим себе вопрос: какие ингредиенты нужно было добавить во Вселенную и каких физических законов придерживаться, чтобы этот узор из пятен превратился в знакомые нам галактики и скопления галактик?
Пятна без столкновений
Можно бесконечно вглядываться в карту реликтового излучения, но, как ее ни крути, информации о молодой Вселенной там не особо много. Ну разве что мы точно узнаем, что космос – местечко крайне захламленное. Поэтому нам придется прибраться.
А это прекрасная возможность немного поговорить о рыбе. Допустим, вы наловили сельдей и расположили их в бочке так, что они тютелька в тютельку заняли все дно. Вы знаете, что ваша подруга, биолог Будиль, как раз специализируется на селедке и интересуется ее размерами и видами, и поэтому вы хотите описать рыбу наиболее простым, но в то же время креативным способом. Как бы это сделать? Один из способов описать улов – это последовательно описывать все, что видите: «Сначала слева виднеется голова, над ней возвышается спинной плавник, прерываемый анальным плавником, направленным вправо…» М-да. Такое описание было бы ужасно длинным и совершенно неинтересным. Вместо этого вы описываете улов так: «Селедка длиной 10–15 см: 3 шт.; 15–20 см: 7 шт.; 20–25 см: 18 шт.» и так далее. Получается, всего несколько цифр – и сердце вашей подружки-биолога растоплено.
И то же самое мы делаем с картой реликтового излучения. Вместо того, чтобы разглядывать отдельные замысловатые пятна, мы смотрим на карту, которая состоит из пятен разного размера. С помощью карты можно определить количество этих пятен, а затем попытаться выяснить, какая именно Вселенная нам нужна, чтобы получилось нужное количество пятен разного размера. Ведь различным параметрам Вселенной будут соответствовать различные параметры пятен.
Пятна на реликтовом излучении свидетельствуют о настоящем шторме из гравитационных волн в ранней Вселенной. Области с высокой плотностью, как мы помним, начали сжиматься. А что происходит, когда газ сжимается? Ну, все зависит от того, из чего он состоит.
Давайте для начала представим, что газ состоит из обычной материи. Область с обычной материей, сжавшуюся в молодой Вселенной, можно сравнить с кучей футбольных мячей, которые вы сбрасываете с обеих сторон рампы для скейтборда. Снизу рампы мячи будут сталкиваться и снова разлетаться в разные стороны, перед тем как снова столкнуться. Но при каждом столкновении мячи будут терять часть энергии, и после нескольких раундов все мячи окажутся снизу, лишь изредка покачиваясь.
А что произойдет, если эти уплотняющиеся области будут состоять из темной материи? Тогда футбольные мячи пройдут друг дружку насквозь не врезаясь. Из-за отсутствия столкновений мячи бы продолжили снова и снова кататься по рампе, вместо того чтобы рано или поздно остановиться снизу. Этот механизм можно сравнить с тем, что мы наблюдали во вращающихся галактиках. Столкновения в обычной материи заставляют ее скапливаться в центре, в то время как несталкивающая ся темная материя собирается вокруг. Я не буду здесь подробно расписывать, каким образом отсутствие столкновений скажется на размере пятен, но, надеюсь, ясно, почему существуют различия.
График на следующей странице демонстрирует измерения со спутника «Планк», где пятна отсортированы по размеру, совсем как рыба для подружки-биолога. Слева – самые большие пятна, а по мере движения вправо пятна становятся все меньше и меньше. Высота кривой показывает количество пятен того или иного размера. Например, мы видим, что на небе очень много пятен протяженностью около одного градуса. Точки с черточкой показывают результаты измерений спутника. Высота этих линий означает возможную погрешность. Волнистая линия показывает теоретическую модель нашей Вселенной. И как видите, теория совпадает с реальностью. В этой теоретической Вселенной количество темной материи в пять раз превосходит количество обычной. Темная материя влияет, в частности, на то, насколько высоко располагаются разные пики по отношению друг к другу. Если убрать темную материю из наших моделей, то теоретическая линия перестанет попадать в точки измерения. В этом случае теория и наблюдения разойдутся.
Но одного только правильного количества темной материи будет маловато, чтобы теория встретилась с реальностью, когда дело касается реликтового излучения. Чтобы в итоге все сложилось так, как надо, измерения «Планка» диктуют изначальное количество темной энергии и изначальную скорость расширения Вселенной. Вот почему измерения реликтового излучения так важны: «горбы» на приведенном ниже графике можно использовать для изучения сразу множества различных свойств Вселенной.
На рисунке показано, сколько пятен разного размера есть на карте реликтового излучения. Точки показывают измерения, сделанные спутником «Планк», а линия, проходящая через точки, – теоретическая модель Вселенной, где темной материи в пять раз больше, чем обычной материи.
Когда дело касается темной материи, реликтовое излучение дополняет наблюдения за скоплениями галактик гравитационным линзированием, скоростями вращения спиральных галактик и так далее. Темная материя кажется необходимой независимо от того, смотрим ли мы на большие или маленькие структуры, на Вселенную в младенчестве или на Вселенную сегодня, на то, как движутся галактики, или на преломление света под действием гравитации. Из-за всех этих факторов становится чересчур сложно объяснить Вселенную, в которой мы живем, пренебрегая темной материей.
Тут я перестану приводить аргументы в пользу существования темной материи. Вместо этого лучше порассуждать о том, чем она может быть. А то как-то неловко получается: есть огромное количество некого вещества, о котором мы толком не в состоянии ничего сказать. Но мы же не опускаем руки, а значит, открытие может произойти в любой момент.
2.13. Так что же такое темная материя?
Позади нас долгий путь: мы посмотрели на галактики, скопления галактик и нечто большее. Теперь мы обратим внимание на мельчайшие кирпичики Вселенной – элементарные частицы. На сегодняшний день считается, что все в природе состоит из таких элементарных частиц. Если темная материя существует, то она тоже должна состоять именно из них.
В начале книги мы познакомились с ньютоновским яблоком из темной материи. Яблоко имело массу и взаимодействовало с гравитацией, но не сталкивалось с обычным веществом, из которого состоит Земля. При поиске частицы темной материи следует искать нечто, обладающее такими же свойствами: оно реагирует на гравитационные силы, но не сталкивается.
Что такое частица?
Когда мы используем слово «частица», легко подумать, что это что-то похожее на обычные частицы, такие, как те, что попадают в фильтр пылесоса, – нечто, понятное дело, маленькое, но все же видимое и с четко определенным внешним видом, если изучить их при помощи неплохого микроскопа. С элементарными частицами все не так просто. У них нет никакого четко определенного размера, контура или цвета. Например, нельзя назвать их маленькими шариками. Не получится даже указать точное место в комнате, где находится та или иная частица. Элементарная частица похожа на коробку, в которую упакованы определенные физические свойства. Электрон, например, представляет собой коробку, где хранятся определенная масса, заряд и некоторые другие свойства, о которых мы не говорили: свойства с загадочными названиями, такими как магнитный момент и квантово-механический спин. У электрона нет определенного размера или формы, но этот набор свойств одинаков у всех электронов.
Так что, когда говорят, что мир состоит из частиц, это означает, что мир состоит из таких коробок с очень специфическими комбинациями свойств. И это действительно забавно. Почему, например, у всех электронов одинаковая масса и одинаковый заряд? А если масса одного электрона или его заряд будут, скажем, на 2,31 процента больше, чем у другого электрона? Нет, так не пойдет. Если вы съели завтрак из элементарных частиц и хотите добавки, то возьмите еще один целый электрон. Разрезать элементарные частицы, как ломтик хлеба, не получится.
Когда физические величины входят в такие предопределенные порции, мы говорим, что размеры квантовые или что они квантованы. Вот почему физика, имеющая дело с этим странным микроскопическим миром, также называется квантовой физикой, или квантовой механикой. В квантовой физике, где частицы не имеют формы, происходят невероятные вещи, идущие вразрез с нашим макроскопическим мировосприятием. К некоторым из этих странных явлений мы еще вернемся, но прежде все же стоит познакомиться с темной энергией.
Стандартная модель физики элементарных частиц
Помните открытие мельчайшей частицы, бозона Хиггса? Ее открыли в 2012 году в физической лаборатории ЦЕРН вблизи Женевы через 50 лет после теоретического предсказания. Благодаря телевидению мы стали свидетелями того, как обычно скупые на эмоции физики аплодировали, плакали и не могли перестать обниматься. Такой энтузиазм больше присущ девочкам на концертах бойбэндов или футбольным фанатам в пабах после удачной игры. Не слишком ли много шума вокруг столь крохотной частицы? Бозон Хиггса стал последним недостающим фрагментом в замысловатой головоломке, которую мы называем Стандартной моделью физики элементарных частиц. И кстати, именно в последнее столетие большинство кусочков пазла как раз и оказались на своих местах.
Но раз головоломка решена, чем теперь займутся физики, изучавшие элементарные частицы? Смотрите, ученые так ликовали, понимая, что это только начало и открытие лишь позволит начать разглядывать первые нечеткие очертания новых головоломок. Возможно, где-то за пределами Стандартной модели найдутся один или несколько фрагментов, которые расскажут нам что-то о темной материи, – фрагменты, позволяющие вписать темную материю в уже существующую физику элементарных частиц. Но перед тем, как заглядывать за пределы Стандартной модели, не лучше ли сначала ознакомиться с существующей на сегодняшний день концепцией? И попробовать понять, что же она рассказывает нам о фундаментальных особенностях природы?
Стандартная модель рассказывает, из каких кирпичиков, а если быть точнее, элементарных частиц построен мир, а также каким образом эти кирпичики взаимодействуют друг с другом посредством различных сил природы. Количество кирпичиков ограничено, но, благодаря бесчисленным вариациям их сотрудничества, вокруг нас сформировалась такая многоуровневая реальность. Из элементарных частиц состоят, например, атомы, которые, в свою очередь, образуют молекулы. А все, что мы видим вокруг себя, состоит из атомов и молекул. Частицы в Стандартной модели вы увидите на рисунке.
Двенадцать частиц с левой стороны – это так называемые частицы вещества. Шесть верхних – кварки, а шесть нижних – лептоны. Пять частиц с правой стороны отвечают за энергообмен других частиц. А еще есть бозон Хиггса, который отвечает за инертную массу.
Частицы Стандартной модели. Мы не ожидаем, что эти элементарные частицы действительно имеют какой-либо размер или внешний вид. Поэтому можно развлечься, рисуя их так, как нам хочется. К этому рисунку, возможно, будет полезно вернуться, когда мы в конечном итоге представим различные частицы.
Широкой публике описанные выше частицы не особо известны. Уже неплохо, если человек знает, что такое электрон. Но электрону мы уже уделили достаточно внимания. Да и фотон у многих на слуху (это частица света, или электромагнитного излучения). И бозон Хиггса, которому так радовались физики. Но где, например, протон и нейтрон? И чем занимаются все остальные странные частицы, о которых мы никогда не слышим? В случае со Стандартной моделью нельзя сказать, что все частицы оказались на своих местах вследствие череды случайных находок, как засушенные растения в гербарии школьника. Каждая частица сначала появилась на своем законном месте в математической формулировке. А это означает, что подавляющее большинство элементарных частиц было теоретически предсказано задолго до практического доказательства в ходе экспериментов.
Вернемся к обзору частиц в Стандартной модели. Начнем с частиц вещества. Электрон – одна из них. Но большинство других частиц вещества в повседневной жизни не так уж часто встречаются. Мюон и частица тау во многих своих свойствах схожи с электроном, например, у них отрицательный заряд, зато больше масса. И мюон, и тау-частица за доли секунды превращаются в другие частицы и исчезают. Поэтому их называют нестабильными.
То же самое касается четырех кварков: очарованного, странного, истинного и прелестного. Они нестабильны, и их жизнь очень коротка. С другой стороны, верхние и нижние кварки играют важную роль в построении Вселенной, поскольку являются кирпичиками, образующими протоны и нейтроны, из которых, в свою очередь, состоят ядра атомов. Протон состоит из одного нижнего и двух верхних кварков, в то время как нейтрон – из одного верхнего и двух нижних. У всех кварков есть электрический заряд: +2/3 у верхних и -1/3 у нижних. Простейшие математические вычисления позволяют понять, почему у протона заряд 4–1, а у нейтрона – 0. Кварки всегда стремятся соединиться с другими кварками, чтобы образовать, например, нейтроны и протоны. Исключение составляют лишь ситуации с экстремально высокими температурами – это те, что в 10 000 раз превышают температуру ядра Солнца. И получается, что, хотя Земля и состоит по большей части из кварков, эти кварки заключены в протоны и нейтроны.
Нейтрино – это те еще невидимые чудаки. Их во Вселенной невероятно много, хотя масса этих частиц ничтожно мала. Невидимость нейтрино, конечно, связана с тем, что у них нет электрического заряда. Учитывая количество нейтрино и их невидимость, очень хочется предположить, что нейтрино и темная материя – одно и то же. Но с помощью нейтрино никак не получится объяснить быстро вращающиеся галактики Рубин или другие связанные с темной материей феномены, которые мы рассматривали. На самом-то деле, в какой-то мере нейтрино и есть форма темной материи. Но они могут составлять лишь ее крошечную часть. Поэтому частица темной материи, по всей видимости, отличается от нейтрино Стандартной модели.
Так почему же нейтрино недостаточно, чтобы полностью объяснить темную материю? И откуда мы знаем, что нейтрино существуют, если они невидимы? Чтобы объяснить почему, нам нужно взглянуть на переносчики взаимодействия справа на рисунке Стандартной модели. Частицы взаимодействия определяют, каким образом действуют силы природы и с какой силой и почему без этих переносчиков взаимодействий никак не обойтись в наших поисках частицы темной материи.
Переносчики взаимодействий и ядерная энергетика
Мы уже немало говорили об электрических и электромагнитных силах, действующих между электрическими зарядами и позволяющих обычной материи сталкиваться и не распадаться. Но что заставляет эти силы действовать между электрическими зарядами? Уж точно не канцелярские резинки или пружины, а фотоны. Два заряда толкают или притягивают друг друга, обмениваясь фотонами (небольшими частицами электромагнитных волн).
Испытать похожий процесс на себе можно, если пойти с другом на каток и начать бросать туда-сюда тяжелый предмет, например, воздушный шар с водой. Каждый раз при передаче шара, вы будете отталкиваться друг от друга. Точно так же два электрических заряда будут перебрасывать фотоны между собой, и, в точности как у конькобежцев, бросающих шары с водой, бросок отталкивает электроны друг от друга. Но, в отличие от примера с катком, где бросок только отталкивает вас друг от друга, обмен фотонами может заставить заряды и притягиваться друг к другу.
Фотоны похожи на маленькие мешочки с электромагнитным излучением. Все наблюдаемое нами электромагнитное излучение состоит из фотонов. Означает ли это, что электрические заряды постоянно передают друг другу небольшие вспышки света, пока сталкиваются и отталкиваются? И, получается, мы можем увиде ть эти вспышки? Нет, к сожалению или к счастью, в нашей и без того заряженной электричеством реальности было бы невыносимо много света. Это то, что мы называем «виртуальными фотонами» (я же говорил, что квантовая физика странная), и их нельзя рассматривать точно так же, как световые волны от горячей плиты. Но даже если эти виртуальные фотоны не видны глазу, фотон выполняет роль переносчика энергии между электрическими зарядами.
С другими силами природы также связаны переносчики взаимодействия, задействованные в обмене силами между частицами. В Стандартной модели есть три еще не рассмотренные нами частицы: глюон, W-бозон и 2-бозон. Глюон – переносчик так называемого сильного ядерного взаимодействия, в то время как W– и 2-бозоны – переносчики слабого взаимодействия.
Подведем итоги:
Фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия.
Глюоны – переносчики сильного ядерного взаимодействия.
W– и Z-бозоны – переносчики слабого взаимодействия.
Сильное ядерное взаимодействие
Сильное ядерное взаимодействие происходит между кварками. Благодаря этому взаимодействию объединяются верхние и нижние кварки, образуются протоны и нейтроны. А потом уже нейтроны и протоны с помощью сильного взаимодействия объединяются в ядра атомов.
Насколько сильнб сильное ядерное взаимодействие? Давайте сравним его с электромагнитным взаимодействием. Как вы, возможно, помните, дополнительных электронов на Луне и Земле, равных массе коровы, хватило бы, чтобы сделать электрические силы столь же мощными, как гравитационные силы между двумя небесными телами. И в то же время мы помним, что чем короче расстояние между зарядами, тем сильнее напряженность электрического поля. Каждый раз, когда расстояние между зарядами уменьшается вдвое, напряженность сил возрастает в четыре раза. Расстояние между двумя протонами в ядре атома – всего 10-15 метров (одна миллионная нанометра), поэтому и отталкивающие электрические силы между протонами должны быть огромными. Тем не менее атомное ядро может содержать множество протонов, и, несмотря на огромные отталкивающие электрические силы, сильному ядерному взаимодействию удается преодолеть их и не дать ядру распасться. Недаром же его называют сильным.
Сильное взаимодействие происходит благодаря глюонным частицам. Глюоны обладают некоторыми забавными свойствами, которые, в свою очередь, делают ядерные взаимодействия уж очень особенными. На расстояниях около 10-15 метров (типичном расстоянии между частицами в атомном ядре) сильное ядерное взаимодействие будет обладать притягивающими свойствами и помогать ядру удерживать все частицы вместе. Если мы попытаемся сжать ядро сильнее, то сильное взаимодействие внезапно станет отталкивающим. А если отойти на расстояние чуть больше 10-15 метров, то это взаимодействие очень быстро ослабеет и станет совершенно незначительным. Таким образом, электромагнитные и гравитационные силы быстро начнут преобладать по мере увеличения расстояния между частицами ядра. Так что, если вам удастся отодвинуть протоны в атомном ядре немного дальше обычного, сильное ядернос взаимодействие резко потеряет контроль над ситуацией. Отталкивающиеся электрические заряды перейдут в наступление и разорвут атомное ядро в клочья. В некоторой степени это упрощенное описание того, что происходит на атомной электростанции.
Лично мне трудно представить себе сильное ядерное взаимодействие, не вспомнив ребенка, прилипшего влажным языком к холодному металлическому забору. В этой ситуации язык играет роль глюона. В отличие от сильного ядерного взаимодействия, силы, из-за которых ребенок прилип к холодному металлу, остаются, лишь пока язык полностью прилегает к поверхности. Стоит ребенку рывком вырваться из плена, удерживавшие его силы быстро исчезнут и станут незначительными.
Мы уже поняли, что гравитационные силы действуют между частицами, обладающими массой, а электромагнитные силы – между частицами с электрическим зарядом. Точно так же сильное взаимодействие существует только между частицами, имеющими то, что мы называем цветовым зарядом. Такое название не имеет никакого отношения к привычным нам цветам; это лишь способ описать характеристики некоторых частиц. Аналогия с цветами появилась из-за того, что существует три типа таких зарядов: красный, зеленый и синий. Таким образом, мы сопоставляем их с тремя основными доступными человеческому глазу цветами. Цветовой заряд бывает только у кварков и глюонов.
Стоит обратить внимание на то, что цветовой заряд имеют не только кварки, но и глюоны. Это означает, что глюоны, участвующие в сильном ядерном взаимодействии, способны, взаимодействуя, еще и влиять друг на друга. Это как если бы у фотонов были электрические заряды и они начали отталкивать и притягивать друг друга, излучая новые фотоны во время своего путешествия по космическому пространству. Это бы все только усложнило. И тот факт, что у глюонов есть цветной заряд, также частично объясняет, почему сильные ядерные взаимодействия ведут себя настолько странно.
Если мысленно вернуться к эпизоду с примерзшим языком ребенка, то на этот раз можно представить, что ребенок вырывается и отчаянно пытается освободиться от металлического забора. Тлюоны (язык) сами по себе имеют цветной заряд, а значит, способны самостоятельно образовывать новые глюоны – это все равно как если бы всё более отчаянные рывки ребенка привели к появлению новых языков. Чем сильнее ребенок тянет, тем больше появляется языков, которые еще сильнее приковывают ребенка к металлической поверхности.
Как вы понимаете, расстояния важны для фундаментальных сил. Расстояния также играют не последнюю роль в последнем из четырех фундаментальных взаимодействий, то есть слабом. Но, прежде чем мы приступим к его рассмотрению, давайте разберемся до конца с тремя другими взаимодействиями и посмотрим на радиус их действия:
• При расстояниях меньше 10-15 метров: всем управляет сильное ядерное взаимодействие до тех пор, пока существуют частицы с цветовым зарядом. Электрические силы и гравитация свои пять копеек тут вставить особо не могут.
При расстояниях от 10-15 метров до нескольких метров: во главе угла – электромагнитное взаимодействие. Расстояния становятся слишком большими для сильного ядерного взаимодействия, а силы гравитации слишком слабы, чтобы кто– то спрашивал их мнение.
При расстояниях от нескольких метров и выше: гравитационное взаимодействие становится все могущественнее. В таких масштабах большинство объектов имеет нулевой электрический заряд, и поэтому электромагнитное взаимодействие молчит в сторонке.
Слабое взаимодействие
Слабое (ядерное) взаимодействие играет в физике ту же роль, что и саксофонное соло в песнях. Хотя оно, очевидно, не главный герой, но зато связывает все воедино и придает смысл. Без слабого взаимодействия Вселенную было бы не узнать, да и нас бы в ней не было. Кроме того, многое указывает на то, что слабое взаимодействие необходимо для понимания и открытия свойств частицы темной материи.
Слабое взаимодействие участвует в ряде процессов, происходящих в атомном ядре. Эти процессы, в частности, не дают нейтрону исчезнуть, превратившись в протон, электрон и так называемое антинейтрино. Этот процесс известен как бета-распад. Из-за возможности спонтанного бета-распада нейтроны – нестабильные частицы. Если нейтрон просто одиноко дрейфует в пространстве, то он, скорее всего, исчезнет в течение четверти часа. Следовательно, нейтроны не могут быть темной материей. Их двадцатипятиминутной жизни для этого просто недостаточно. Частицы темной материи же, в отличие от них, существовали еще до образования реликтового излучения и продолжают жить по сей день.
Что касается слабого взаимодействия, есть две частицы, так называемые W– и Z– бозоны, которые играют роль переносчиков энергии. Это взаимодействие происходит между всеми частицами, обладающими тем, что мы называем слабым изоспином, это свойство является своеобразным ответом слабого взаимодействия на электрический заряд электромагнетизма, цветовой заряд сильного взаимодействия и массу гравитационного. Все частицы вещества в Стандартной модели имеют слабый изоспин, позволяющий им влиять друг на друга посредством слабого взаимодействия.
Как мы видели, для других типов взаимодействий элементарных частиц характерны определенные масштабы, в пределах которых они действуют. А что насчет слабого взаимодействия? На какие масштабы распространяется его сила? Это взаимодействие проявляется на фантастически коротких расстояниях, примерно 10-16 м, даже меньше, чем у сильного взаимодействия. Вряд ли вас это поразит, но все же слабое взаимодействие намного слабее сильного. Дальше – меньше. Именно слабое взаимодействие главенствует на экстремально коротких расстояниях. Но все же оно играет далеко не последнюю роль, отчасти потому, что оно взаимодействует с типом частиц, которые не участвует в электромагнитных или сильных взаимодействиях, – нейтрино.
Время поговорить о нейтрино
Мы уже знаем, что нейтрино – это легкие невидимые частицы в Стандартной модели. Но нам нужно узнать побольше. Да простят меня фанаты бозона Хиггса, очарованного кварка и мюона, но нейтрино – крутейшие частицы в Стандартной модели. Они не просто крутые, но еще и прекрасный пример того, как чисто гипотетически может выглядеть темная материя. Ведь, как я уже говорил, по сути нейтрино и есть форма темной материи.
