Давайте посмотрим, что происходит, когда на кварк внутри протона внезапно действует внешняя сила — например, налетающий электрон. Кварк, вырванный из обычного окружения, получает большую энергию и импульс и вылетает из протона. Однако изолированный кварк существовать не может. Его некомпенсированный цветной заряд нарушает равновесие полей цветных глюонов, и поэтому кварк начинает излучать глюоны, теряя энергию и импульс. Эти вторичные глюоны также будут излучать либо другие глюоны, либо кварки и антикварки. Таким образом, первоначальный резкий удар порождает каскад кварков, антикварков и глюонов, которые затем сбиваются в протоны, нейтроны и другие адроны. Как всегда, кварки, антикварки и глюоны не живут как отдельные частицы и могут существовать только в коллективе.
Звучит сложно, и так оно и есть. Но теория асимптотической свободы вносит в хаос структуру: учит нас, что, поскольку излучение, связанное с передачей больших энергий и импульса, возникает редко, все частицы каскада стремятся двигаться в одном направлении. В результате мы наблюдаем множество треков частиц в узком конусе. Мы говорим, что они образуют струю. Поскольку энергия и импульс в целом сохраняются, полная энергия и импульс всех частиц внутри нашей струи будут равны энергии и импульсу исходного кварка.
Это явление — прекрасный подарок физикам. Струи содержат информацию об энергии и импульсе частиц, которые их инициировали, а потому служат «аватарами» этих частиц. Таким образом, кварки и глюоны становятся вполне осязаемыми объектами, хотя сами по себе, изолированно, не существуют. Мы можем предсказать поведение кварков и глюонов через предсказания для струй. Таким образом мы точно и в деталях проверяем основные законы КХД — все утверждения о кварках и глюонах. Струи также позволяют нам разобраться в других процессах, известных или гипотетических, где участвуют кварки и глюоны.
Обычно экспериментаторы докладывают о том, сколько кварков и глюонов образовалось в изучаемых ими реакциях, как они распределены по энергии, углу и так далее. На самом деле они наблюдают не кварки и глюоны, а соответствующие струи, но после тысяч успешных проверок распознавание и идентификация частиц стали обычным делом. Кварки и глюоны вошли в мир как странные гипотетические фантомы — частицы, которые, согласно теории конфайнмента, не могут существовать изолированно. С помощью замечательных идей ученых они стали осязаемой реальностью — не просто частицами, а струями.
Общая теория относительности предсказывает удивительную взаимосвязь между средней кривизной пространства, средней плотностью вещества внутри него и скоростью расширения Вселенной. Если общая плотность материи равна некоторой критической отметке, то пространство будет плоским; если плотность больше, оно будет иметь положительную кривизну, подобно сфере, а если меньше — то отрицательную, подобно седлу.
В настоящее время критическая плотность составляет около 10–29 граммов на кубический сантиметр, что эквивалентно массе шести атомов водорода на кубический метр. Хотя эта плотность намного ниже, чем самый сверхвысокий вакуум, полученный в земных лабораториях, похоже, она близка к средней плотности Вселенной в целом.
Астрономы могут измерять форму пространства геометрически, используя сложные методы, упомянутые в главе 1. Они также могут измерять плотность, суммируя вклады обычной материи, темной материи и темной энергии. Они обнаружили, что пространство почти плоское, а его плотность почти равна критической. Это согласуется с предсказанием общей теории относительности. Можно надеяться, что загадки темной материи и темной энергии удастся понять в рамках общей теории относительности. И конечно, они не потребуют ее модификации.
Благодарности
Мне в жизни везло: меня постоянно поддерживали родители и семья, учителя и друзья, которых слишком много, чтобы упоминать каждого в отдельности. Многим в жизни я обязан системе государственных школ Нью-Йорка.
Я благодарен Альфреду Шапере, Ву Бяо, Томасу Хулону и Патти Барнс, которые прочитали черновик книги и сделали ценные замечания. Над изданием книги я работал в тесном сотрудничестве с редакторами Кристофером Ричардсом и Элизабет Ферлонг, кроме того, помогали и многие другие редакторы Penguin Press. Я признателен Джону Брокману, Катинке Мэтсон и Максу Брокману, которые вдохновили меня на написание этой книги и помогли довести проект до конца.
Об авторе
Фрэнк Вильчек — физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике (2004) за открытие асимптотической свободы в теории сильных взаимодействий (совместно с Дэвидом Гроссом и Хью Дэвидом Политцером).
Профессор Массачусетского технологического института (MIT), автор нескольких научно-популярных книг и сотен статей в ведущих научных журналах. На русском языке были опубликованы его книги «Красота физики. Постигая устройство Вселенной» и «Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил».
МИФ Научпоп
Весь научпоп на одной странице: mif.to/science
Узнавай первым о новых книгах, скидках и подарках из нашей рассылки mif.to/sci-letter
#mifbooks
#mifbooks
#mifbooks
#mifbooks
Над книгой работали
Руководитель редакционной группы Светлана Мотылькова
Ответственный редактор Юлия Константинова
Литературный редактор Екатерина Гришина
Арт-директор Алексей Богомолов
Дизайнер Наталья Майкова
Корректоры Елена Гурьева, Наталья Воробьева
ООО «Манн, Иванов и Фербер»
mann-ivanov-ferber.ru
Электронная версия книги подготовлена компанией Webkniga.ru, 2021