ней структурой, их поведение не было бы таким простым. Например, если бы его заряд был однородно распределен внутри маленького шарика, а не сконцентрирован в точке, теоретическое значение магнитного поля электрона не совпадало бы с измеренным экспериментально. Конечно, если шарик будет достаточно маленьким, разницу можно и не заметить. Но пока природа не дает нам оснований вносить такие сложные поправки.
Сходным образом можно оправдать присвоение титула «элементарная» (пока не доказано обратное) каждой частице, о которой пойдет речь. Все они прошли строгий отбор и отвечают условию: очень малого числа их характеристик (других нет) достаточно, чтобы получить множество значимых, правильных результатов.
В таблице элементарных частиц и их характеристик я использовал массу электрона, чтобы определить масштаб масс всех элементарных частиц, поэтому масса электрона равна 1 по определению. Кроме того, я, как это обычно принято, использовал электрический заряд электрона как меру электрического заряда. Но тут есть небольшое осложнение, возникшее по милости моего кумира, Бенджамина Франклина.
До того как стать известным государственным деятелем и дипломатом, Франклин внес важный вклад в науку об электричестве: открыл сохранение электрического заряда и доказал, что заряды бывают положительными и отрицательными. Как первооткрывателю, Франклину предстояло выбрать, заряд какого типа назвать положительным, а какого — отрицательным. Он решил, что заряд, накапливающийся на стекле, натертом шелком, будет называться положительным. Это случилось задолго до того, как люди узнали об электронах. Так что в соответствии с выбором Франклина у электрона заряд отрицательный. Уже поздно что-то менять, поскольку такой выбор зафиксирован в миллионах книг, статей и электрических схем. Именно поэтому в нашей таблице электрический заряд электрона равен –1.
Следующими открытыми элементарными частицами были фотоны. О существовании света было известно всем животным и, пожалуй, растениям задолго до начала человеческой истории. С другой стороны, открытие того, что свет распространяется дискретными порциями, началось с предположения. Фотоны — элементарные порции света.
Эйнштейн первым выдвинул такое предположение в 1905 году. Это был «год чудес», куда поместились специальная теория относительности, существование атомов (броуновское движение) и E = mc2. Эйнштейн назвал это предположение гипотезой о квантах света. (Слово «фотон» ввел в 1925 году выдающийся химик Гилберт Льюис.) Столь революционную идею встретили в штыки. Через восемь лет, в 1913 году, при избрании Эйнштейна в Прусскую академию наук, Макс Планк[50] в конце своей хвалебной рекомендации извинился за досадную абсурдность некоторых идей Эйнштейна. Планк писал: «То, что иногда, как, например, при выдвижении гипотезы о квантах света, он может зайти слишком далеко в своих предположениях, не должно ставиться ему в вину».
Как ни забавно, предположение Эйнштейна основывалось на работе самого Планка. Опираясь на эксперименты по измерению светимости нагретого тела, Планк пришел к выводу, что свет испускается и поглощается дискретными порциями (речь идет о так называемом излучении абсолютно твердого тела). Эйнштейн интерпретировал это утверждение как то, что свет состоит из дискретных порций, и точка. Это уточненное толкование позволило ему предсказать результаты нескольких других экспериментов, которые, в принципе, можно было бы поставить, но при уровне развития науки в 1905 году они были очень сложны. И только в 1914 году, через год после письма Планка, опыты Роберта Милликена[51] стали решающими для проверки гипотезы Эйнштейна.
Хотя Эйнштейн несомненно заслужил несколько Нобелевских премий, получил он только одну — в 1921 году, за работу о квантах света[52]. Сам Эйнштейн считал ее наиболее революционной.
Изучая поведение материи при энергиях более высоких, чем те, которые были доступны в начале ХХ века, мы обнаруживаем отдельные фотоны, энергия и импульс которых достаточно велики. По этой причине их гораздо проще отождествить с частицами. Фотоны высокой энергии известны как гамма-лучи. С помощью счетчика Гейгера можно услышать, как гамма-лучи — щелчок за щелчком — объявляют о своем прибытии.
Как электроны и ядра, фотоны следует считать составными частями атомов. Действительно, по природе фотоны — это «глюоны»[53]. Именно фотоны — электрические поля в их коллективном воплощении — склеивают атомы, связывая электроны и ядра.
А вот протоны и нейтроны не относятся к элементарным частицам: их поведение слишком сложно. Легко описать модель протонов и нейтронов, которую мы используем сегодня, но построить и обосновать ее было нелегко. В целом она походит на модель атомов. Два типа похожих на электроны частиц — их называют u-кварки и d-кварки — связаны вместе глюонами — частицами, напоминающими фотоны.
Хотя в главном эти модели сходны, есть существенные различия в том, как «собраны» атомы (из электронов, фотонов и ядер) и протоны (из кварков и глюонов).
• Электромагнитное взаимодействие, обусловленное электрическим зарядом, гораздо слабее сильного взаимодействия, обусловленного цветным зарядом. Именно поэтому размер ядра атома, в котором протоны и нейтроны прочно связаны сильным взаимодействием, гораздо меньше размера самого атома.
• Электроны всегда отталкиваются друг от друга. Однако поскольку цветов три, то силы, связывающие кварки, сложнее и могут быть силами притяжения. Благодаря такой возможности кваркам, в отличие от электронов, для связи не требуются «ядра», состоящие из чего-то, отличного от них самих.
• В то время как фотоны электрически нейтральны, цветные глюоны — их аналоги, отвечающие за сильное взаимодействие, — сами несут цветной заряд. Глюоны чувствуют сильное взаимодействие так же, как кварки (на самом деле даже сильнее). И это еще одна причина, в силу которой протоны и нейтроны более однородны, чем атомы. Носители взаимодействия сами в нем тоже участвуют.
Чтобы завершить описание кварков и глюонов, нужно рассказать об их массах[54]. С глюонами все просто: масса глюонов, как и фотонов, равна нулю. Главное, что надо знать о кварках, — то, что их массы велики по сравнению с массой электрона, но очень малы в сравнении с массами протонов и нейтронов.
Может показаться парадоксальным, что масса протона гораздо больше масс того, из чего он состоит. На самом деле этот парадокс разрешим — благодаря выводу, что источником всей нашей массы (массы составляющих нас протонов и нейтронов) является энергия. И это высочайшее достижение человека в понимании природы.
Точно измерить массы u-кварков и d-кварков трудно. Дело в том, что выделить влияние их масс на фоне других, более значительных эффектов проблематично. Так что в таблице я указал наилучшие оценки их значений, отметив это звездочкой.
В наш список частиц построения следует добавить гравитоны — именно из них состоят гравитационные поля. Фотоны связывают атомы и молекулы; глюоны — кварки, протоны и атомные ядра; а гравитоны — планеты, звезды, галактики и вообще большие объекты.
Гравитоны никогда не регистрировались как отдельные частицы: поскольку электрический заряд у них нулевой, а цветной отсутствует, по отдельности они очень слабо взаимодействуют с обычной материей. Но каждая из перечисленных выше характеристик гравитонов непосредственно связана с наблюдаемыми свойствами сил, ими порождаемых. Мы наблюдаем действие гравитационных сил, а в последнее время и гравитационные волны. Все это результат кумулятивного действия множества отдельных гравитонов. Их масса равна нулю, поэтому они очень легко образуются в больших количествах.
Из-за относительно большого спина взаимодействия гравитонов сложнее, чем у других элементарных частиц. Ключевые черты теории гравитации Эйнштейна — общей теории относительности — следуют непосредственно из свойств гравитона, связанных со спином. И этот факт — впечатляющая демонстрация значимости наших трех основных атрибутов материи — массы, заряда и спина — для всеобъемлющего описания ее поведения. Путь, которым сам Эйнштейн пришел к созданию общей теории, был невероятно талантливым, но гораздо менее прямым.
На этом завершается наш обзор частиц — кирпичиков, из которых построена материя. Если вы впервые столкнулись с этими идеями, непривычные концепции и их конкретное воплощение могут с трудом укладываться в голове. Тем не менее главная мысль ясна: физический мир выстроен из очень небольшого числа разных составляющих. Более того, эти составляющие предельно просты в том смысле, что определяются всего несколькими характеристиками.
Список элементарных частиц существенно короче английского алфавита и гораздо короче периодической системы Менделеева. Вместе с законами, описывающими силы — их всего четыре, — составляющих из этого списка достаточно, чтобы эффективно и успешно описать материю. Об этом я расскажу в следующей главе. Здесь же мы остановимся на заманчивых гипотезах о том, как можно сделать описание материи еще компактнее.
Но сначала я хотел бы рассмотреть будущее элементов построения мира под другим углом зрения. Я опишу две стратегии «изготовления» новых полезных «элементарных частиц». Обе они вдохновлены самой природой. Одна — появившаяся под влиянием физики — основана на движении снаружи внутрь. Другая, фундаментом которой стала биология, предлагает двигаться изнутри наружу.
Творение частиц, версия первая: о дивный новый мир
Те же представления, на которые мы опирались, анализируя мир в целом, можно отнести и к веществам. Если в материю добавить немного энергии, заряда или спина, в большинстве случаев обусловленное этим возмущение соответствует некоторому количеству дискретных «порций», или, иначе, квантов. Эти «потусторонние» возмущения называют квазичастицами. Свойства квазичастиц могут быть совсем не такими, как у элементарных частиц в пустом пространстве.