Масса каждого вида элементарных частиц имеет определенное значение, и для разных частиц оно обычно разное. По-видимому, эти значения не укладываются ни в какую простую схему. Многие ученые пытались объяснить их, но успеха не достигли[143].
Масса некоторых наиболее важных элементарных частиц, включая фотоны, глюоны и гравитоны, равна нулю, но это не значит, что они не обладают инерцией и не являются источниками гравитации. Позвольте мне объяснить этот парадокс: как следует из моего опыта, он вызывает затруднения у думающих учеников.
Масса дает вклад в силу как инерции, так и гравитации, но это не единственный фактор. В частности, движущаяся частица обладает большей инерцией, и сила притяжения, с которой она действует на другие частицы, больше по сравнению с покоящейся частицей. В самом деле, теория относительности учит нас, что не масса, а энергия «ответственна» за инерцию и гравитацию. В соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна E = mc2 энергия и масса покоящейся частицы пропорциональны. Значит, для определения инерции и силы притяжения можно использовать любую из этих величин — они взаимозаменяемы. Когда тела движутся медленно и их скорости малы в сравнении со скоростью света, при определении энергии формула E = mc2 остается хорошим приближением. Мы не делаем существенную ошибку, утверждая, что инерция и сила притяжения пропорциональны массе.
Однако для тел, скорость которых близка к скорости света, формула E = mc2 неприменима. Это не значит, что Эйнштейн сплоховал, но использовать следует более сложную, общую формулу, полученную им же. Она показывает, что, хотя масса фотонов равна нулю, их энергия нулю не равна, а следовательно, у них есть инерция и они создают гравитационные силы.
Электрический заряд частицы определяет интенсивность, с которой она вступает в электромагнитные силовые взаимодействия. О природе этой силы рассказывается в основном тексте. Здесь мы остановимся на самом электрическом заряде как свойстве элементарных частиц.
Два факта об электрическом заряде делают работу с ним особенно легкой и приятной. Во-первых, это аддитивность: полный заряд нескольких объектов можно вычислить, просто сложив их заряды. А во-вторых, полный заряд изолированной области пространства неизменен независимо от того, что происходит внутри этой области. Заряд можно изменить, только внеся туда что-то или убрав, но не переставляя объекты внутри области или сталкивая их друг с другом.
Аддитивные и сохраняющиеся величины воплощают то, что мы интуитивно называем веществом. Они складываются и не теряются. Без преувеличения, на них можно положиться.
Электрические заряды элементарных частиц можно описать в рамках гораздо более простой и регулярной схемы, чем массы. У многих элементарных частиц электрический заряд равен нулю, а у остальных — целому числу, помноженному на общую единицу измерения[144]. Заряд некоторых частиц положителен, а других — отрицателен.
Как я уже говорил, электрический заряд ответственен за реакцию тела на электрические и магнитные поля. Есть два других вида зарядов, во многом аналогичные электрическому и играющие схожую роль в других взаимодействиях: цветной и слабый.
Цветной заряд тела характеризует интенсивность его отклика на глюонное поле. Мне нравится говорить, что цветной заряд похож на электрический, но на стероидах. Он определяет напряженность силы, обусловленной сильным взаимодействием. Единичный цветной заряд больше единичного электрического заряда (то есть заряда электрона). Это то, что делает сильные силы сильными. Но не только это: в отличие от одного вида электрического заряда и одного вида фотона, есть три вида цветных зарядов и восемь видов глюонов — переносчиков сильного взаимодействия.
Полная система уравнений, описывающая сильное взаимодействие и известная как квантовая хромодинамика (КХД), представляет собой расширенную и более симметричную версию уравнений Максвелла, «управляющих» квантовой электродинамикой (КЭД). КХД — это КЭД, нарастившая мускулы.
Слабые заряды бывают двух видов; единичный слабый заряд чуть больше единичного электрического. Физическая значимость слабых зарядов становится очевидной только в контексте идей, связанных с конденсатом Хиггса, о чем шла речь в главе 8.
Есть два сорта так называемых частиц изменения.
W- и Z-бозоны и бозоны Хиггса примерно в сто раз тяжелее протонов, а кроме того, очень нестабильны. Их трудно создать, и они крайне недолго живут. За последние десятилетия создание и наблюдение частиц изменения — главный результат работы мощных ускорителей.
Нейтрино, наоборот, очень легкие и в основном стабильные, но слабо взаимодействуют с обычной материей (то есть материей, состоящей из частиц конструкции).
Вот таблица, сходная с приведенной для частиц построения:
Хотя частицы изменения не относятся к важным составляющим обычной материи, их роль чрезвычайно велика. Такие частицы участвуют в превращениях — так называемых слабых взаимодействиях или слабых силах.
В мире природы высвобождение энергии в процессах с участием слабых сил приводит к движению тектонических плит и обеспечивает энергией звезды. Они же делают возможным существование атомных реакторов и ядерного оружия.
Имеется три вида нейтрино. У всех у них разные массы, и взаимодействуют они несколько по-разному. Как видно из таблицы, массы нейтрино составляют лишь крохотную часть массы электрона, но по крайней мере в двух случаях (а возможно, во всех трех) не равны нулю. Поскольку нулю равны и электрический, и цветной заряд нейтрино, взаимодействуют с обычной материей они минимально, что сильно затрудняет их изучение. Когда, как того требовала теория, Вольфганг Паули[145] выдвинул идею существования нейтрино, он не направил свою работу в периодический физический журнал. Вместо этого он написал покаянное неформальное письмо участникам конференции по ядерной физике, где сетовал: «Я сделал сегодня что-то ужасное. Физику-теоретику никогда не следует делать такого. Я предположил нечто, что никогда нельзя будет проверить экспериментально»[146].
Но экспериментаторы приняли двусмысленный вызов Паули: построили и оснастили гигантские детекторы. Сегодня физика нейтрино представляет собой огромное, бурно развивающееся поле деятельности. Среди прочего, эксперименты дают нам ясное представление и о происходящем в солнечном ядре, и о бурных превращениях при взрывах сверхновых звезд, сопровождающихся выделением огромного количества энергии.
Наконец, в главе 8 подробно описана частица Хиггса, которая и была там главным действующим лицом.
Переходим к группе элементарных частиц, о которых мы по-настоящему мало что знаем. Все эти «бонусные» частицы нестабильны. Они обнаружены среди продуктов распада ядер при столкновениях в космических лучах (в начале XX века) и на ускорителях частиц (совсем недавно). Когда в 1936 году открыли первую из них — мюон, — известный физик Исидор Раби[147] воскликнул: «Ну и кто это заказывал?», выразив этим шуточным замечанием, ставшим легендарным, общее недоумение научного сообщества. Массы бонусных частиц варьируются в широком диапазоне, никакой закономерности в их значениях не просматривается, что можно увидеть в следующей таблице.
Эти частицы образуют три группы. Глядя на их свойства, можно заметить, что c- и t-кварки являются более тяжелыми и нестабильными версиями u-кварка; s- и b-кварки — более тяжелыми и нестабильными версиями d-кварка, а мюон и тауон — более тяжелыми и нестабильными версиями электрона.
И последняя наша «элементарная частица» находится в стадии изучения. Она связана с проблемой темной материи, описанной в главе 9. Напомню: астрономы не раз наблюдали действие более сильной гравитации, чем могли объяснить.
Несоответствие бывало совсем немаленьким; чтобы его интерпретировать, требовалась примерно в шесть раз большая масса, чем могла обеспечивать обычная материя.
Проблему темной материи могла бы решить элементарная частица с нужными свойствами — если бы оказалась источником загадочной гравитации. Наблюдаемые данные в целом согласуются с этим предположением, но информации недостаточно, чтобы точно вычислить важнейшие свойства частицы, такие как масса и спин.
Вот адрес веб-сайта Particle Data Group: http://pdg.lbl.gov. На нем задокументированы (с датами получения и всеми техническими деталями) эмпирические свидетельства, на которых основывается наше фундаментальное понимание космологии, материи и ее взаимодействий. Это настоящий храм науки, возведенный усилиями нескольких поколений ученых разных континентов во славу физической реальности.
Сильное взаимодействие между кварками и глюонами снижается не только при малых расстояниях во времени и пространстве, но и при больших изменениях энергии и импульса. И то и другое — две стороны асимптотической свободы. Используя уравнения квантовой механики, одно можно вывести из другого.
Большие изменения энергии и импульса редки, но приводят к поразительному явлению, которое стало главной характерной чертой взаимодействий частиц сверхвысоких энергий. Речь о возникновении струй. Струи раскрывают суть КХД: демонстрируют нам кварки, глюоны и их основные взаимодействия в удивительно естественной и осязаемой форме.