Подробный рассказ о массе и заряде, как электрическом, так и цветном[47], я перенес в приложение. Здесь же я расскажу немного о, возможно, наименее привычной характеристике — спине.
Если вы когда-нибудь играли с волчком, вам будет легче понять, что такое спин. Основная идея такова: спин элементарной частицы — идеальный, без трения волчок, который никогда не перестает вращаться.
Движение волчка, или гироскопа, вызывает у нас интерес, поскольку оно необычно для нашего повседневного опыта. Если говорить конкретнее, быстро вращающийся гироскоп противодействует попыткам изменить направление своей оси вращения: чтобы сделать это, нужно приложить большую силу[48]. Мы говорим, что гироскоп обладает моментом инерции относительно оси вращения. Этот эффект используют для навигации самолетов и космических аппаратов, на борту которых есть гироскопы, помогающие им сохранять ориентацию.
Чем быстрее вращается гироскоп, тем эффективнее он сопротивляется попыткам изменить его ориентацию. Сравнивая силу с откликом на ее воздействие, можно определить меру момента инерции относительно оси вращения. Она называется угловой момент. Угловой момент больших, быстро вращающихся гироскопов большой, и они мало реагируют на приложенную силу.
С другой стороны, элементарные частицы — на самом деле крошечные гироскопы. Их угловой момент очень мал. Когда угловой момент становится настолько малым, мы переходим в область квантовой физики. Часто выясняется, что в квантовой механике величины, считавшиеся непрерывными, могут изменяться только небольшими дискретными порциями, или квантами, — отсюда и название квантовой механики. Так обстоит дело и с угловым моментом. Согласно квантовой механике, имеется минимальное теоретическое значение величины углового момента тела. Все возможные угловые моменты равны целым числам, умноженным на это минимальное значение.
Оказывается, электроны, кварки и некоторые другие элементарные частицы обладают угловым моментом, в точности равным его минимальному теоретическому значению. Физики, указывая на это, говорят, что электроны и другие представители этого класса элементарных частиц обладают спином ½. Есть любопытная, связанная с математикой причина, объясняющая, почему физики называют фундаментальную единицу углового момента спином ½, а не спином, равным единице, но этот вопрос выходит за рамки нашей книги.
В завершение темы хочу рассказать свою личную историю. Спин изменил мою жизнь. Мне всегда нравились математика и головоломки, а в детстве я любил играть с юлой. В университете я выбрал математику основной специальностью. Во время последнего семестра привычную жизнь кампуса Чикагского университета нарушили студенческие волнения. Расписание составлялось на скорую руку и посещать занятия стало не столь обязательно. Питер Фройнд, знаменитый профессор физики, предложил прочесть спецкурс о применении математической теории симметрии в физике. Я воспользовался возможностью посещать его лекции, хотя и не был достаточно подготовлен для них.
Когда профессор Фройнд говорил, его сияющие, широко открытые глаза сверкали восторженным энтузиазмом. Он показал нам, как необычно красивые математические рассуждения, основанные на идеях симметрии, связаны с возможностью предсказывать поведение наблюдаемых физических величин. Для меня наиболее впечатляющим примером такой связи стала, и до сих пор остается, квантовая теория углового момента, о которой он нам рассказывал. Когда вращающаяся частица распадается и при этом рождается несколько других (ситуация вполне заурядная в квантовом мире), квантовая теория углового момента предсказывает соотношения между направлениями разлета продуктов распада и направлениями их осей вращения. Такие предсказания требуют довольно сложных расчетов, а их результаты совсем не очевидны. Но они работают!
Ощущение неразрывной гармонии между двумя разными вселенными — вселенной красивых идей и вселенной физических процессов — стало для меня своего рода духовным пробуждением, а потом и легло в основу моей профессии. И я не разочаровался.
Еще раз хочу подчеркнуть: в триединстве характеристик материи — массы, заряда и спина — наиболее важно и замечательно именно то, что их так мало. Указав для любой элементарной частицы значения этих трех величин, а еще координаты и скорость, вы опишете ее полностью.
Как это отличается от реалий повседневной жизни! Объекты, с которыми мы привыкли иметь дело, очень многогранны: у них есть размер, форма, цвет, запах, вкус и еще большое количество характеристик. А если мы описываем человека, уместно также указать его пол, возраст, особенности характера, состояние ума и многое другое. Все эти свойства дают нам более или менее независимые фрагментарные сведения об объектах и людях. Ни одна составляющая этого набора не определяет остальные. Демокрит был прав: контраст между простотой фундаментальных составляющих мира и сложностью того, что они образуют, поразителен.
Но, вопреки представлениям Демокрита, у наших фундаментальных составляющих нет крючков. Более того, это даже не твердые тела. Хотя их удобно называть элементарными частицами, но на самом деле это не совсем частицы, то есть у них мало общего с тем, что мы вкладываем в понятие «частица». Согласно современным концепциям, фундаментальные составляющие не имеют размера или формы. Если мы непременно хотим их визуализировать, можно представить себе бесструктурные точки c концентрацией массы, заряда и спина. Вместо «атомов и пустоты» мы опираемся на категорию «пространство-время» и свойства.
Не все элементарные частицы созданы равными. В нашем представлении о мире они играют разные роли. Некоторые доминируют в повседневной жизни, другие проявили себя в астрономии и астрофизике. А еще есть элементарные частицы, роль которых пока не до конца ясна.
Другими словами, у нас есть частицы построения, частицы изменения и бонусные частицы. Для профессиональных физиков и астрономов все они необычайно интересны, но частицы построения, безусловно, самые важные для мира, с которым мы имеем дело, поэтому здесь я расскажу о них. Некоторые сведения о других частицах вынесены в приложение.
Частицы построения
Грубо говоря, обычная материя — та, с которой мы имеем дело в биологии, химии, геологии и технике. Одно из главных достижений современной науки — возможность определить обычную материю совсем по-другому и более точно: это материя, которую можно построить из электронов, фотонов, двух типов кварков, обычно называемых нижними и верхними, и глюонов.
Итак, материя повседневной жизни, из которой состоят и наши тела, строится из пяти разных кирпичиков — пяти типов элементарных частиц. Каждый определяется несколькими понятными характеристиками.
(Что означают звездочки, я объясню позднее.)
Для начала позвольте вкратце напомнить «классическое» описание атома, составленное в начале ХХ века. Ниже мы его уточним. Согласно ему, атом состоит из маленького ядра в центре, окруженного облаком электронов. Электростатическое притяжение связывает электроны с ядром. В ядрах сосредоточены практически вся масса атома и весь его положительный электрический заряд.
Ядра, в свою очередь, образованы из протонов и нейтронов, чья масса примерно в две тысячи раз больше массы электрона. Протоны несут положительный электрический заряд, причем положительный заряд одного протона уравновешивает отрицательный заряд одного электрона. Нейтроны не обладают электрическим зарядом. Таким образом, когда число электронов, окружающих ядро, равно числу протонов внутри него, заряд атома в целом равен нулю и атом электрически нейтрален.
Электроны — первые открытые элементарные частицы и во многом наиболее важные. Впервые существование электронов однозначно установил Дж. Дж. Томсон в 1897 году. Он изучал электрические разряды — по сути, искусственные молнии — в так называемых вакуумных трубках. Трубки не были абсолютно пустыми (иначе там не оказалось бы электронов), но воздуха в них было так мало, что находившиеся внутри частицы могли двигаться без столкновений[49]. Прилагая электрические и магнитные поля, Томсон наблюдал за отклонением в разных местах лучей разряда, что позволило определить его наиболее существенную компоненту. Эта компонента присутствует во всех разрядах вне зависимости от того, каким газом наполнена трубка, и направление луча особенно легко меняется в магнитном поле. Если точнее, форма «ответной молнии» совпадает с траекторией, которую можно рассчитать в соответствии с законами электричества и магнетизма при движении заряженных, обладающих массой точечных объектов. Томсон предположил, что эти разряды состоят из частиц, имеющих определенную массу и заряд. Так родился электрон. Открытие потоков таких частиц означало, что они относятся к основным, универсальным структурным элементам материи.
Работы Томсона вдохновили многих исследователей. Вскоре углубленный анализ природы материи привел к появлению столь известной и уже привычной всем прикладной науки — электроники. Ее значение трудно переоценить.
Поведение электронов изучено со всевозможных точек зрения, в многочисленных экспериментах. Например, как я упоминал выше, люди научились измерять крошечное магнитное поле, которое генерируют вращающиеся (то есть все) электроны. Это можно сделать, основываясь на предположении, что электрон обладает только массой, электрическим зарядом и спином и никаких других характеристик у него нет. Выполнить расчет и измерить магнитное поле можно с очень большой точностью — в обоих случаях с точностью до нескольких миллиардных. К счастью, все получающиеся результаты совпадают.
Точное совпадение поведения электрона, предсказанного в рамках удивительно простой модели, с результатами экспериментов — это именно то, что мы и подразумевали, объявив его элементарной частицей. Если бы электроны, как атомы, обладали сложной внутрен