1 · (красный) + 1 · (зеленый) + 1 · (синий) = 0
легко запомнить, потому из-за физиологических особенностей человеческого зрения сложение красного, зеленого и синего света воспринимается как белый свет. Стоит только дополнительно договориться, что нейтральное (обладающее нулевым зарядом по отношению к сильному взаимодействию) называется бесцветным (или белым), как правило смешения цветов на мониторе «красный + зеленый + синий = бесцветный (белый)» окажется отличной мнемоникой для математического соотношения между зарядами сильного взаимодействия. Из-за этого практика именовать заряды красным, зеленым и синим очень быстро прижилась – настолько, что сам заряд сильного взаимодействия стали даже называть цветовым или цветным зарядом. Наряду с приведенным соотношением с равным успехом сумма трех противоположных («анти») цветов тоже дает нуль. И, как мы уже говорили, выполнено доброе старое правило 1 · (красный) + 1 · (антикрасный) = 0 (и еще два аналогичных равенства).
Каждый кварк, например может находиться в одном из трех цветовых состояний: это же относится и к кваркам из серой и темной мастей. Антикварки несут соответствующие антицвета: античастица к красному кварку – антикрасная и т. д. (в том, чтобы запоминать, что, скажем, дополнительный к синему цвет – желтый, большого смысла уже нет). Но в свободном состоянии – «по отдельности» – в природе могут существовать только бесцветные комбинации кварков, т. е. такие, где цвета в сумме дают нуль в соответствии со сформулированными правилами. Частицы, несущие цвет – ненулевой заряд сильного взаимодействия, не наблюдаются в природе поодиночке. Протон и нейтрон, а также все многочисленные короткоживущие частицы, которые можно собрать из кварков, должны быть бесцветными: их полный цветовой заряд должен быть равен нулю. Поэтому, когда мы говорим, что протон = нам надо дополнительно раздать по цвету на каждый из кварков таким образом, чтобы все вместе было бесцветным по правилу сложения трех цветов. В общем, цветные карты, представляющие кварки, оказываются немного шулерскими: их больше, чем кажется, и, я бы сказал, они мельтешат перед глазами так, что не все разглядишь: кварки непрерывно обмениваются цветами. В случае протона это «мельтешение» устроено так. Один из трех кварков, который мы временно снабдим меткой 1, может находиться в одном из цветовых состояний К[расный], З[еленый] или С[иний]; чтобы помнить, что это состояния «первого» кварка, обозначим их как |К⟩1, |З⟩1, |С⟩1, и аналогично поступим с двумя другими кварками; тогда математика, определяющая правила обращения с кварками, предписывает такое цветовое состояние трех кварков внутри протона:
И при этом каждый из кварков, обозначенных как 1, 2, 3, может быть u- или d-кварком (при условии, что всего имеются два u и один d), а кроме того, каждый может находиться в одном из двух спиновых состояний – в результате полная картина того, как три кварка складываются в протон, еще усложняется.
Вторая колода, с буквой B на рубашках, не содержит никаких мастей. Все частицы там – бозоны (рис. В.4). Они заняты тем, что переносят какое-то из известных взаимодействий. Важны для устройства Вселенной все они без исключения, но мы лучше всего знакомы с фотонами, причем не в роли переносчика взаимодействия, а просто в виде света. Переносчиками же взаимодействия, скажем, между двумя электронами работают не совсем настоящие, а виртуальные фотоны. Слово «виртуальный» часто опускают, но его всегда следует подразумевать, когда речь идет именно о передаче взаимодействий; виртуальные кванты (виртуальные фотоны, виртуальные электроны) – это возбуждения поля с несколько «непостоянным» статусом существования, и главное их отличие от настоящих квантов – отсутствие фиксированной массы. (В ваш фотоаппарат и на сетчатку глаза, наоборот, попадают вовсе не виртуальные, а «полноценные» фотоны; в атоме сидят «полноценные» электроны и т. д.)
Рис. В.4. Бозоны, входящие в Стандартную модель элементарных частиц. Числа слева вверху указывают электрический заряд. Обозначения: γ – фотон, Z – зет-бозон, W+ и W– – дубльвэ-бозоны, g – глюон(ы). Одна карта лежит рубашкой вверх
Взаимодействие одного поля с другим – факт, который мы умеем учитывать в нашем описании природы, но про который мы не спрашиваем, почему именно такие взаимодействия есть в нашей Вселенной, а каких-то других нет; наши представления о взаимодействии полей – это очередное обобщение наблюдений. Согласно этим наблюдениям, взаимоотношения бозонов, показанных на рис. В.4, с фермионами на рис. В.3 отчасти выборочны: бозоны, переносящие какое-либо взаимодействие, вступают в контакт не со всеми фермионами, а только с теми, у которых не равен нулю заряд по отношению к данному взаимодействию. «Вступить в контакт» здесь означает быть испущенным или поглощенным. И поглощение, и испускание – элементарные процессы, которые не раскладываются ни на какие составные части: это описание на языке частиц того, как поля обмениваются энергией. Через обмен агентами и реализуется каждое из взаимодействий: электромагнитное, слабое и сильное. Но агенты из колоды B «немножко козыри» в том смысле, что им безразличны масти карт из колоды F – они обращают внимание только на значения. Вот что они делают.
• Фотон (γ) – переносчик электромагнитного взаимодействия. Он вступает в контакт только с теми элементарными частицами, у которых есть электрический заряд. На рис. В.3 это все, кроме трех нейтрино. Сам же фотон электрического заряда не имеет, из-за чего при испускании и поглощении фотона электрический заряд участников этого процесса не меняется. Фотон – античастица сам себе.
• Зет-бозон (Z) и дубльвэ-бозоны (W±) – частицы, которые не получили хороших названий, а вместо этого содержат в своем имени технический термин «бозон»; они являются переносчиками слабого взаимодействия. Один из них (Z) нейтральный по электрическому заряду (и античастица сам себе). Два других (W±) имеют заряды +1 и –1 (и являются античастицами друг для друга) – единственный случай, когда переносчик некоторого взаимодействия сам чувствителен к другому взаимодействию (в данном случае – электромагнитному). Слабое взаимодействие слабое, но чрезвычайно универсальное: зарядом по отношению к нему обладают все фермионы. В моих игорных терминах карты и «совсем козыри», потому что способны «контактировать» с каждой картой из колоды F. Однако это довольно специфические козыри: испускание или поглощение W± бозонов всегда происходит с изменением не только заряда, но и типа участвующего фермиона, т. е. с изменением значения карты: например, d-кварк испустив W–-бозон, превращается в u-кварк . Собственно говоря, все приведенные выше примеры превращений кварков происходят в действительности в два этапа (которые крайне быстро сменяют один другой): сначала кварки превращаются по схемам типа
(где можно по-разному распределять масти), после чего распадаются одним из (многих) возможных способов.
• Глюоны (g) переносят сильное взаимодействие между кварками. Они испускаются и поглощаются кварками, причем процесс устроен опять интереснее, чем в случае электромагнитного взаимодействия и фотонов. Переходя от кварка к кварку, глюоны переносят между ними цветовой заряд; цветовые заряды кварков при этом меняются. Цветовой заряд, как и электрический, сохраняется, и из-за этого каждый глюон переносит что-то вроде разности двух зарядов. Например, кварк с зеленым зарядом может испустить глюон и приобрести красный заряд; глюон должен тогда унести с собой зеленый-антикрасный заряд. Встретив красный кварк и поглотившись им, такой глюон превратит этот кварк в зеленый. Встретив же антизеленый антикварк, такой глюон превратит его в антикрасный[316]. Довольно ключевое свойство глюонов состоит в том, что они не только осуществляют обмен цветами между кварками, но и сами взаимодействуют друг с другом: по три или даже по четыре за один раз. Один глюон может разделиться на два или на три, два или три могут слиться в один, и два могут превратиться в два других; все это происходит с сохранением цветового заряда.
Наши представления о кварках и глюонах позволяют дать превосходное описание всего, что с ними происходит, когда кварки весьма близки друг к другу, но мы плохо понимаем, как распространить это описание на случаи, когда расстояние между кварками увеличивается – например, если один из кварков подвергается воздействию, выдергивающему его из протона. В наблюдениях, однако, твердо установлено, что свободные кварки в природе не встречаются; не встречаются вообще никакие образования из кварков, которые несли бы ненулевой цветовой заряд. Это свойство получило название конфайнмент (пленение) кварков.
В колоде бозонов B осталась одна карта, которая на рис. В.4 лежит рубашкой вверх. Перевернув ее, видим что-то вроде джокера:
Это бозон Хиггса (и предмет для отдельной истории).
Литература[317]
[1] Александров Е. Б., Александров П. А., Запасский В. С., Корчуганов В. Н., Стирин А. И. Эксперименты по прямой демонстрации независимости скорости света от скорости движения источника (демонстрация справедливости второго постулата специальной теории относительности Эйнштейна) // УФН. 2011. Вып. 12. Т. 181. С. 1345–1351.
[2] Белецкий В. В. Очерки о движении космических тел. 2-е изд. – M.: Наука, 1977.
[3] Брайсон Б. Краткая история почти всего на свете. – M.: Гелеос, 2007. 2-е изд. – M.: АСТ, 2018. – Сер.: Элементы.
[4] Вайнберг С. Гравитация и космология. – М.: Мир, 1975.
[5] Вигнер Е. Непостижимая эффективность математики в естественных науках // УФН. 1968. Вып. 3. Т. 94. С. 535–546.