Страница:
Теория квантового поля изображает все взаимодействия как процессы обмена виртуальными частицами. Чем сильнее взаимодействие, то есть чем мощнее «сила» взаимодействия между частицами, тем выше вероятность соответствующего процесса и тем чаще происходит обмен виртуальными частицами. Однако роль виртуальных частиц не ограничивается участием в подобных взаимодействиях. Виртуальную частицу может испускать любой отдельно взятый нуклон, который потом ее поглотит. Это вполне обычный процесс, и единственная оговорка заключается в том, что время существования образовавшегося мезона ограничено принципом неопределенности. На рис. 32 помещен график Фейнмана, на котором изображен процесс испускания и уничтожения пиона.
Вероятность таких процессов, получивших название процессов «взаимодействия», для нуклонов очень велика, так как они часто вступают во взаимодействия. Это означает, что в действительности нуклоны постоянно испускают и поглощают виртуальные частицы. Теория поля рассматривает нуклоны в качестве центров постоянной активности, окруженных «облаками» виртуальных частиц. Виртуальные мезоны вскоре после своего испускания исчезают, что означает, что они не могут удалиться на большое расстояние от нуклона. Поэтому мезонное облако имеет очень небольшие размеры. Внешние области облака заполнены легкими мезонами (главным образом, пионами), а более тяжелые мезоны поглощаются нуклоном быстрее, и могут поэтому находиться вблизи от центра атома.
Каждый нуклон окружен такими облаками мезонов, которые существуют очень недолго. Тем не менее, при некоторых обстоятельствах виртуальные мезоны могут превратиться в нуклоны. Если нуклон сталкивается с какой-либо другой частицей, движущейся с большой скоростью, кинетическая энергия этой частицы может перейти к виртуальному мезону и оторвать его от облака.
Таков механизм образования настоящих мезонов при столкновении частиц с участием высоких энергий. С другой стороны, два нуклона могут сблизиться друг с другом, так что их мезонные облака частично належатся друг на друга, и тогда некоторые виртуальные частицы могут не возвращаться к тому нуклону, который их испустил, а «перепрыгнуть» в соседнее облако и быть поглощенными другим нуклоном. Это механизм процессов обмена частицами во время сильных взаимодействий.
Становится ясно, что взаимодействия частей, а следовательно, и силы, действующие между ними, зависят от состава виртуальных облаков этих частиц. Радиус взаимодействия, то есть расстояние между частицами, при котором происходят взаимодействия, определяется свойствами частиц, составляющих облака. По этой причине электромагнитные силы зависят от наличия виртуальных фотонов «внутри» заряженных частиц, в то время как сильные взаимодействия между нуклонами происходят в результате присутствия фотонов «внутри» нуклонов виртуальных пионов и других мезонов. Теория поля воспринимает силы, действующие между частицами, как свойства (которые так четко разграничивались в греческом и ньютоновском атомизме), имеющие одну и ту же физическую природу — природу динамических паттернов, которые мы называем частицами.
Такой подход к пониманию силы характерен для восточного мистицизма, в учениях которого движение и изменение рассматриваются в качестве основных неотъемлемо присущих свойств всех вещей. «Все вращающиеся предметы, — говорит Цзан Цай о небесах, — обладают спонтанной силой. Поэтому их движение не является навязанным извне» [60,62]. В «И цзин» мы читаем: «(Природные) законы не являются внешними силами по отношению к вещам; они воплощают гармонию движения, свойственную самим вещам» [86, 68].
Это древнее китайское определение силы как воплощение «гармонии движения, свойственной самим вещам» представляется особенно уместным в свете положений теории квантового поля, которые характеризуют силы взаимодействия между собой как проявления динамических паттернов (виртуальных облаков), присущих частицам.
Теория поля современной физики побуждает нас отказаться от традиционного противопоставления между материальными частицами и пустотой. И гравитационная теория поля Эйнштейна, и теория квантового поля утверждают, что частицы неразрывно связаны с окружающим пространством и не могут рассматриваться в отрыве от него. С одной стороны, частицы оказывают воздействие на структуру пространства, с другой — они являются не самостоятельными частицами материальной субстанции, а, скорее, сгустками в беспредельном поле, пронизывающем все пространство. Теория квантового поля видит в этом поле основу для существования и взаимодействия всех частиц. «Поле существует всегда и везде; оно не может исчезнуть. Поле есть проводник для всех материальных явлений. Это „пустота“, из которой протон создает п-мезоны (пи-). Возникновение и исчезновение частиц — лишь формы движения поля» [77, 159].
Соотношение между виртуальными частицами и вакуумом имеет в высшей степени динамическую природу; вакуум — это «живая пустота» в полном смысле этого слова, в пульсации которой берут начало бесконечные ритмы рождений и разрушений. Большинство физиков считают открытие динамической сущности вакуума одним из важнейших достижений современной физики. Из пустого вместилища всех физических явлений пустота превратилась в динамическую величину первой важности. Таким образом, результаты исследований современной физики подтверждают правоту высказываний великого мыслителя Цзая Цая: «Для того, кто знает, что Великая Пустота наполнена ци, нет такого понятия, как несуществование» [60, 33].
Глава 15. КОСМИЧЕСКИЙ ТАНЕЦ
В ходе изучения субатомного мира в двадцатом веке физики обнаружили, что вещество имеет динамическую природу, а составные части атома, субатомные частицы представляют собой динамические структуры, существующие не в виде самостоятельных единиц, а в виде неотъемлемых компонентов неразрывной сети взаимодействий. Эти взаимодействия питает бесконечный поток энергии, воплощающийся в обменах частицами, динамическом чередовании стадий созидания и разрушения, а также в беспрестанных изменениях энергетических паттернов. В результате взаимодействий образуются все более устойчивые единицы, из которых и состоят материальные тела. Эти единицы, в свою очередь, тоже не остаются неподвижными, но ритмически колеблются. Таким образом, вся Вселенная оказывается вовлеченной в бесконечный процесс движения и деятельности — в постоянный космический танец энергии.
В этом танце принимает участие бесчисленное множество паттернов, которые, как это ни странно, мы можем разделить на несколько основных разновидностей. Изучение субатомных частиц и их взаимодействий открывает нашему взору не мир хаоса, а в высшей степени упорядоченный мир. Все атомы, а значит, и все материальные тела вокруг нас представляют собой сочетания всего лишь трех материальных частиц, обладающих массой: протона, нейтрона и электрона. Четвертая частица, фотон, не имеет массы и является единицей электромагнитного излучения. Протон, электрон и фотон представляют собой устойчивые частицы, что означает, что их существование не прерывается до тех пор, пока они не принимают участия в столкновениях с другими частицами, угрожающими им аннигиляцией. Распад нейтрона, напротив, может с легкостью произойти в любой момент. Этот процесс, получивший название «бета-распада», представляет собой обычный механизм одной из разновидностей радиоактивных явлений. Он состоит из преобразования нейтрона в протон и возникновения электрона и нейтрино. Нейтрино — еще одна частица, не имеющая массы, но характеризующаяся устойчивостью, подобно протону, электрону и фотону. Обычно нейтрино обозначают греческой буквой u («ню»), в результате чего символическая запись процесса бетараспада приобретает следующий вид:
n -> p + e— + u (ню)
Преобразование нейтронов в протоны влечет за собой преобразование атомов радиоактивного вещества в атомы другого элемента. Возникающие в ходе этого химического процесса электроны испускаются атомами в виде мощного излучения, которое находит широкое применение в биологии, медицине и промышленности. Установить факт возникновения нейтрино гораздо сложнее, так как эти частицы не имеют ни массы, ни электрического заряда.
Как уже говорилось выше, для каждой частицы существует аналогичная античастица с такой же массой и противоположным зарядом. Античастицей для фотона является сам фотон, античастица электрона называется позитроном; помимо них, нам известны антипротон и антинейтрино. На самом деле, та не имеющая веса частица, которая возникает в процессе бета-распада, представляет собой не нейтрино, а его античастицу, антинейтрино (u-), вследствие чего наша запись приобретает вид:
n -> р + е— + u—
Упоминавшиеся до сих пор частицы — лишь малая часть всех субатомных частиц, известных современной науке. Все остальные персонажи субатомного мира неустойчивы; они очень быстро распадаются на другие частицы, которые, в свою очередь, могут тоже подвергаться распаду до тех пор, пока не образуются устойчивые частицы. Исследование неустойчивых частиц очень дорогостоящее, так как для каждого эксперимента эти частицы приходится создавать заново, что невозможно без огромных ускорителей частиц, пузырьковых камер и других устройств для детекции частиц.
Самые неустойчивые частицы существуют на протяжении очень небольшого промежутка времени по сравнению с нашими временными масштабами — меньше миллионной доли секунды. Однако следует учитывать, что продолжительность их жизни должна рассматриваться в сочетании с их размерами, которые тоже очень невелики. При таком подходе сразу становится очевидно, что на самом деле продолжительность существования этих частиц — довольно большая величина, и что одна миллионная доля секунды фактически — огромная продолжительность жизни в мире частиц. Человек за одну секунду может преодолеть расстояние, которое в несколько раз превышает его собственные размеры. Для частицы аналогичной единицей времени будет тот промежуток времени, в течение которого частица преодолевает расстояние, которое тоже превышает ее размеры в несколько раз; эту единицу времени логично назвать «частице-секунда». Физики оценивают продолжительность этой единицы времени в 1.0е-23 доли обычной секунды.
Для того, чтобы преодолеть расстояние, равное диаметру среднестатистического ядра атома, частице, движущейся со скоростью, близкой к скорости света (как это происходит, скажем, вовремя экспериментов по столкновению частиц), необходимо примерно десять таких частице-секунд. Около двух дюжин из всего множества неустойчивых частиц, прежде чем подвергнуться распаду, преодолевают расстояния, равные размерам нескольких атомов. Это расстояние превышает их собственные размеры примерно в сто тысяч раз, и для его преодоления требуется несколько сот «частице-часов». Эти частицы, наряду с уже упоминавшимися устойчивыми, перечислены в таблице на рис. 34. Большинство неустойчивых частиц из этой таблицы могут до своего распада переместиться на целый сантиметр или даже на несколько сантиметров, а неустойчивые частицы с наибольшей продолжительностью существования могут преодолеть расстояние даже в несколько сотен метров, которое кажется воистину огромным по сравнению с их собственными размерами.
Таблица на рис. 34 включает тринадцать различных видов частиц, многие из которых могут существовать в нескольких «зарядовых состояниях». Так пионы могут иметь положительный заряд (п+), отрицательный заряд (п-) или быть электрически нейтральными (п0). Существует две разновидности нейтрино, различающиеся тем, что каждая из них может взаимодействовать только с определенным типом частиц: первая — с электронами (Ve), вторая — с мюонами (ui). Античастицы тоже включены в таблицу, причем три частицы могут быть своими собственными античастицами (гамма, Л, i). Все частицы расположены в порядке возрастания массы атомов: фотоны и нейтрино не имеют массы, электрон представляет собой легчайшую частицу из обладающих массой, мюоны, пионы и каоны в несколько сот раз тяжелее электрона; Остальные частицы тяжелее электрона в 1000-3000 раз.
Все остальные известные к настоящему времени частицы относятся к числу так называемых «резонансов». Им посвящена следующая глава. Резонансы еще менее долговечны, их распад происходит за несколько частицесекунд, вследствие чего они не могут преодолевать расстояния, превышающие их размеры больше, чем в несколько раз. Это означает, что пузырьковая камера оказывается беспомощной и не может обнаружить присутствие этих частиц. Поэтому свидетельства их существования могут быть только косвенными. Следы из пузырьков в пузырьковых камерах оставляют только те частицы, которые перечислены в нашей таблице.
В процессе столкновения все эти частицы могут возникать и аннигилировать, а также участвовать в виртуальных обменах, осуществляя таким образом взаимодействия между другими частицами. Казалось бы, при таком раскладе итоговое количество возможных типов взаимодействий между частицами может быть очень большим, однако по какой-то причине, которая остается неизвестной, все взаимодействия делятся на четыре разновидности, характеризующиеся различной степенью взаимодействия. Перечислим эти разновидности:
— Сильные взаимодействия.
— Электромагнитные взаимодействия.
— Слабые взаимодействия.
— Гравитационные взаимодействия.
Наиболее известными из них являются электромагнитные и гравитационные взаимодействия, наблюдающиеся в макроскопическом мире. Гравитационные взаимодействия наличествуют между всеми существующими частицами, однако при этом они настолько слабы, что не подвергаются экспериментальной детекции. В макроскопическом мире гравитационные взаимодействия большого количества частиц, составляющих массу тела, складываются и порождают макроскопическую силу гравитации, которая является основной силой во Вселенной. Электромагнитные взаимодействия происходят между всеми заряженными частицами. Именно они ответственны за все химические реакции, а также за образование и всех атомных и молекулярных структур. Сильные взаимодействия удерживают вместе протоны и нейтроны внутри ядра. Они порождают ядерную силу — самую мощную из всех известных современной науке сил. Так, например, электроны удерживаются поблизости от атомного ядра при помощи электромагнитной силы, обладающей энергией примерно в десять электрон-вольт, в то время как ядерная сила, связывающая нейтроны внутри ядра, использует энергию, равную десяткам миллионов электрон-вольт — особых единиц для измерения энергии на субатомном уровне.
Нуклоны — не единственные частицы, которые принимают участие в сильных взаимодействиях. Как ни странно, к сильновзаимодействующим частицам относится подавляющее большинство всех известных частиц. Из всех частиц только пять не могут принять участия в сильных взаимодействиях, как, впрочем, и их античастицы. Это фотон и четыре лептона, перечисленные в верхней части таблицы. Недавно был обнаружен пятый лептон, получивший обозначение «тау» (греческая буква т). Также, как электрон и мюон, он может существовать в двух зарядовых состояниях, соответственно т — и т+, а поскольку его масса превосходит массу электрона почти в 3500 раз, он получил название тяжелого лептона. Существование нейтрино, который принимал бы участие только во взаимодействиях с тау, было только постулировано и остается до сих пор недоказанным экспериментально.
Таким образом, мы можем разделить все частицы не две большие группы — лептоны и адроны, или сильновзаимодействующие частицы. Адроны, в свою очередь, делятся на мезоны и барионы, между которыми существует довольно много различий. Важнейшее из них заключается в том, что все барионы имеют античастицы, в то время как мезоны могут сами выступать в роли своих античастиц.
Лептоны принимают участие во взаимодействиях четвертого типа — в слабых взаимодействиях. Последние настолько слабы и действуют на таком коротком расстоянии, что не могут удерживать частицы друг подле друга, в то время как три остальные разновидности взаимодействий порождают силы притяжения: сильные взаимодействия — внутри атомных ядер, электромагнитные взаимодействия — внутри атомов и молекул, а гравитационные взаимодействия — между планетами, звездами и даже целыми галактиками. Слабые взаимодействия проявляются в единственной форме — в форме некоторых столкновений частиц, а также их распада. К числу последних относится и бета-распад, упоминавшийся выше.
Все взаимодействия между адронами проявляются в обмене другими адронами. Сильные взамодействия действуют только на очень небольших расстояниях из-за того, что в соответствующих им обменных процессах участвуют тяжелые адроны. Сильные взаимодействия могут происходить только при том условии, что расстояние между частицами не превышает нескольких диаметров частицы. Поэтому они не могут создать силу, воздействие которой сказалось бы на нашем макроскопическом окружении. В противоположность сильным, электромагнитные взаимодействия, воплощающиеся в обменах неимеющими массы фотонами, могут происходить между сколь угодно далекими частицами, вследствие чего электрические и магнитные силы хорошо известны в мире больших измерений. Считается, что гравитационные взаимодействия тоже осуществляются при помощи обмена особыми частицами — «гравитонами», однако слабость этих взаимодействий настолько велика, что гравитоны до сих пор не были обнаружены учеными, хотя никаких серьезных поводов сомневаться в их существовании нег.
Наконец, поскольку слабые взаимодействия становятся возможными только при том условии, что расстояние между частицами предельно невелико — гораздо меньше, чем при сильных взаимодействиях, физики считают, что эти взаимодействия осуществляются при помощи обмена очень тяжелыми частицами. По всей видимости, эти частицы выполняют роль, аналогичную роли фотона при электромагнитных взаимодействиях, и единственное их отличие от последнего заключается в том, что они гораздо тяжелее. По сути дела, именно аналогия с фотоном легла в основу последних модификаций теории квантового поля, получивших название «теории приборов» и позволивших построить единую теорию поля для электромагнитных и слабых взаимодействий.
Во многих процессах столкновений, находящих применение в физике высоких энергий, часто имеют место и сильные электромагнитные, и слабые взаимодействия, в результате чего возникают длинные цепочки последовательных превращений частиц. Частицы, первоначально принимавшие участие в столкновении, аннигилируют, образуя несколько новых частиц, которые тоже проходят несколько стадий распада, прежде чем превратиться в устойчивые частицы.
На рис. 35 представлена сложная последовательность столкновений и распадов частиц: отрицательно заряженный пион (п-) проникает в пузырьковую камеру слева, сталкивается с протоном, то есть с ядром атома водорода, который уже находился внутри камеры; обе частицы аннигилируют, в результате чего образуется нейтрон (n) или два каона (К— и К+); нейтрон улетает, не оставляя следа; каон сталкивается с другим, находящимся в камере протоном, обе частицы аннигилируют, образуя ламбду (Л) и фотон (гамма). Ни одна из вновь образовавшихся частиц не оставляет видимых следов в камере, однако ламбда через некоторе время распадается на протон (р) и (п-), каждый из которых оставляет видимый след. На рисунке хорошо видно небольшое расстояние между возникновением ламбды и ее распадом. Наконец, К-, возникший еще при самом первом столкновении, некоторое время продолжает двигаться, а потом распадается на три пиона.
Здесь изображена одна из таких цепочек возникновений и исчезновений частиц. Обратите внимание на тот факт, что следы в пузырьковой камере могут оставлять только заряженные частицы; под воздействием магнитного поля они отклоняются в различных направлениях, в зависимости от знака заряда: положительные — по часовой стрелке, а отрицательные — против часовой стрелки. Этот график представляет собой прекрасное доказательство того факта, что на уровне частиц материя характеризуется колоссальной слитностью и взаимопроницаемостью, а также достоверное и наглядное изображение энергетических каскадов, сопровождающих образование и уничтожение различных структур, или, говоря другими словами, различных частиц.
Особенно поразительными представляются такие случаи, когда лишенный массы, но наделенный большим количеством энергии фотон, который никак не обнаруживает своего присутствия в пузырьковой камере, внезапно взрывается, образуя пару заряженных частиц (позитрон и электрон), которые тут же начинают двигаться по расходящимся дугам. На рисунке 36 запечатлен процесс, в котором образование пары противоположно заряженных частиц из электрически нейтрального фотона происходит целых два раза.
На рис. 36 представлена последовательность событий, приводящих к образованию двух электронно-позитронных пар: антипротон (р-) снизу проникает в пузырьковую камеру, сталкивается с одним из протонов и образует я+ (след, уходящий влево) и я— (след, уходящий вправо), а также два фотона (гамма), каждый иэ которых, в свою очередь, распадается на электронно-позитронную пару: позитроны (е+), улетающие направо, и электроны (е-) — влево.
Чем значительнее объем энергии, изначально принимающей участие в процессе столкновения, тем больше частиц может образоваться. На рис. 37 изображено столкновение между антипротоном и протоном, в результате которого возникает восемь пионов.
Для того, чтобы разогнать частицы до достаточно большой скорости, то есть, иными словами, для того, чтобы сообщить им достаточно большое количество энергии, используются мощные ускорители частиц. В большинстве случаев природные явления, происходящие на Земле, имеют более низкие энергетические характеристики, вследствие чего тяжелые частицы редко образуются на Земле в естественных условиях. В открытом космосе нас ждет совершенно иное положение дел: в центре звезд сосредоточены крупные скопления субатомных частиц, между которыми постоянно происходят естественные столкновения, аналогичные столкновениям внутри ускорителей современной экспериментальной физики. В некоторых звездах эти процессы порождают чрезвычайно мощное электромагнитное излучение, которое может принимать форму радиоволн, световых волн и рентгеновских лучей. Для астрономов это излучение представляет собой основной источник знаний и информации о Вселенной. Таким образом, межзвездное, как впрочем, и межгалактическое, пространство оказывается насыщенным электромагнитными излучениями различных частот, то есть фотонными потоками, обладающими различными запасами энергии. Тем не менее, фотоны — не единственные частицы, которые постоянно бороздят просторы космоса. «Космическое излучение» состоит не только из фотонов, но также и из тяжелых частиц, механизм образования которых до сих пор не вполне ясен. Большинство этих частиц составляют протоны; некоторые из них обладают очень большими запасами энергии, намного превышающими те предельные показатели, которые позволяют достичь самые мощные ускорители частиц.
В этом танце принимает участие бесчисленное множество паттернов, которые, как это ни странно, мы можем разделить на несколько основных разновидностей. Изучение субатомных частиц и их взаимодействий открывает нашему взору не мир хаоса, а в высшей степени упорядоченный мир. Все атомы, а значит, и все материальные тела вокруг нас представляют собой сочетания всего лишь трех материальных частиц, обладающих массой: протона, нейтрона и электрона. Четвертая частица, фотон, не имеет массы и является единицей электромагнитного излучения. Протон, электрон и фотон представляют собой устойчивые частицы, что означает, что их существование не прерывается до тех пор, пока они не принимают участия в столкновениях с другими частицами, угрожающими им аннигиляцией. Распад нейтрона, напротив, может с легкостью произойти в любой момент. Этот процесс, получивший название «бета-распада», представляет собой обычный механизм одной из разновидностей радиоактивных явлений. Он состоит из преобразования нейтрона в протон и возникновения электрона и нейтрино. Нейтрино — еще одна частица, не имеющая массы, но характеризующаяся устойчивостью, подобно протону, электрону и фотону. Обычно нейтрино обозначают греческой буквой u («ню»), в результате чего символическая запись процесса бетараспада приобретает следующий вид:
n -> p + e— + u (ню)
Преобразование нейтронов в протоны влечет за собой преобразование атомов радиоактивного вещества в атомы другого элемента. Возникающие в ходе этого химического процесса электроны испускаются атомами в виде мощного излучения, которое находит широкое применение в биологии, медицине и промышленности. Установить факт возникновения нейтрино гораздо сложнее, так как эти частицы не имеют ни массы, ни электрического заряда.
Как уже говорилось выше, для каждой частицы существует аналогичная античастица с такой же массой и противоположным зарядом. Античастицей для фотона является сам фотон, античастица электрона называется позитроном; помимо них, нам известны антипротон и антинейтрино. На самом деле, та не имеющая веса частица, которая возникает в процессе бета-распада, представляет собой не нейтрино, а его античастицу, антинейтрино (u-), вследствие чего наша запись приобретает вид:
n -> р + е— + u—
Упоминавшиеся до сих пор частицы — лишь малая часть всех субатомных частиц, известных современной науке. Все остальные персонажи субатомного мира неустойчивы; они очень быстро распадаются на другие частицы, которые, в свою очередь, могут тоже подвергаться распаду до тех пор, пока не образуются устойчивые частицы. Исследование неустойчивых частиц очень дорогостоящее, так как для каждого эксперимента эти частицы приходится создавать заново, что невозможно без огромных ускорителей частиц, пузырьковых камер и других устройств для детекции частиц.
Самые неустойчивые частицы существуют на протяжении очень небольшого промежутка времени по сравнению с нашими временными масштабами — меньше миллионной доли секунды. Однако следует учитывать, что продолжительность их жизни должна рассматриваться в сочетании с их размерами, которые тоже очень невелики. При таком подходе сразу становится очевидно, что на самом деле продолжительность существования этих частиц — довольно большая величина, и что одна миллионная доля секунды фактически — огромная продолжительность жизни в мире частиц. Человек за одну секунду может преодолеть расстояние, которое в несколько раз превышает его собственные размеры. Для частицы аналогичной единицей времени будет тот промежуток времени, в течение которого частица преодолевает расстояние, которое тоже превышает ее размеры в несколько раз; эту единицу времени логично назвать «частице-секунда». Физики оценивают продолжительность этой единицы времени в 1.0е-23 доли обычной секунды.
Таблица на рис. 34 включает тринадцать различных видов частиц, многие из которых могут существовать в нескольких «зарядовых состояниях». Так пионы могут иметь положительный заряд (п+), отрицательный заряд (п-) или быть электрически нейтральными (п0). Существует две разновидности нейтрино, различающиеся тем, что каждая из них может взаимодействовать только с определенным типом частиц: первая — с электронами (Ve), вторая — с мюонами (ui). Античастицы тоже включены в таблицу, причем три частицы могут быть своими собственными античастицами (гамма, Л, i). Все частицы расположены в порядке возрастания массы атомов: фотоны и нейтрино не имеют массы, электрон представляет собой легчайшую частицу из обладающих массой, мюоны, пионы и каоны в несколько сот раз тяжелее электрона; Остальные частицы тяжелее электрона в 1000-3000 раз.
Все остальные известные к настоящему времени частицы относятся к числу так называемых «резонансов». Им посвящена следующая глава. Резонансы еще менее долговечны, их распад происходит за несколько частицесекунд, вследствие чего они не могут преодолевать расстояния, превышающие их размеры больше, чем в несколько раз. Это означает, что пузырьковая камера оказывается беспомощной и не может обнаружить присутствие этих частиц. Поэтому свидетельства их существования могут быть только косвенными. Следы из пузырьков в пузырьковых камерах оставляют только те частицы, которые перечислены в нашей таблице.
В процессе столкновения все эти частицы могут возникать и аннигилировать, а также участвовать в виртуальных обменах, осуществляя таким образом взаимодействия между другими частицами. Казалось бы, при таком раскладе итоговое количество возможных типов взаимодействий между частицами может быть очень большим, однако по какой-то причине, которая остается неизвестной, все взаимодействия делятся на четыре разновидности, характеризующиеся различной степенью взаимодействия. Перечислим эти разновидности:
— Сильные взаимодействия.
— Электромагнитные взаимодействия.
— Слабые взаимодействия.
— Гравитационные взаимодействия.
Наиболее известными из них являются электромагнитные и гравитационные взаимодействия, наблюдающиеся в макроскопическом мире. Гравитационные взаимодействия наличествуют между всеми существующими частицами, однако при этом они настолько слабы, что не подвергаются экспериментальной детекции. В макроскопическом мире гравитационные взаимодействия большого количества частиц, составляющих массу тела, складываются и порождают макроскопическую силу гравитации, которая является основной силой во Вселенной. Электромагнитные взаимодействия происходят между всеми заряженными частицами. Именно они ответственны за все химические реакции, а также за образование и всех атомных и молекулярных структур. Сильные взаимодействия удерживают вместе протоны и нейтроны внутри ядра. Они порождают ядерную силу — самую мощную из всех известных современной науке сил. Так, например, электроны удерживаются поблизости от атомного ядра при помощи электромагнитной силы, обладающей энергией примерно в десять электрон-вольт, в то время как ядерная сила, связывающая нейтроны внутри ядра, использует энергию, равную десяткам миллионов электрон-вольт — особых единиц для измерения энергии на субатомном уровне.
Нуклоны — не единственные частицы, которые принимают участие в сильных взаимодействиях. Как ни странно, к сильновзаимодействующим частицам относится подавляющее большинство всех известных частиц. Из всех частиц только пять не могут принять участия в сильных взаимодействиях, как, впрочем, и их античастицы. Это фотон и четыре лептона, перечисленные в верхней части таблицы. Недавно был обнаружен пятый лептон, получивший обозначение «тау» (греческая буква т). Также, как электрон и мюон, он может существовать в двух зарядовых состояниях, соответственно т — и т+, а поскольку его масса превосходит массу электрона почти в 3500 раз, он получил название тяжелого лептона. Существование нейтрино, который принимал бы участие только во взаимодействиях с тау, было только постулировано и остается до сих пор недоказанным экспериментально.
Таким образом, мы можем разделить все частицы не две большие группы — лептоны и адроны, или сильновзаимодействующие частицы. Адроны, в свою очередь, делятся на мезоны и барионы, между которыми существует довольно много различий. Важнейшее из них заключается в том, что все барионы имеют античастицы, в то время как мезоны могут сами выступать в роли своих античастиц.
Лептоны принимают участие во взаимодействиях четвертого типа — в слабых взаимодействиях. Последние настолько слабы и действуют на таком коротком расстоянии, что не могут удерживать частицы друг подле друга, в то время как три остальные разновидности взаимодействий порождают силы притяжения: сильные взаимодействия — внутри атомных ядер, электромагнитные взаимодействия — внутри атомов и молекул, а гравитационные взаимодействия — между планетами, звездами и даже целыми галактиками. Слабые взаимодействия проявляются в единственной форме — в форме некоторых столкновений частиц, а также их распада. К числу последних относится и бета-распад, упоминавшийся выше.
Все взаимодействия между адронами проявляются в обмене другими адронами. Сильные взамодействия действуют только на очень небольших расстояниях из-за того, что в соответствующих им обменных процессах участвуют тяжелые адроны. Сильные взаимодействия могут происходить только при том условии, что расстояние между частицами не превышает нескольких диаметров частицы. Поэтому они не могут создать силу, воздействие которой сказалось бы на нашем макроскопическом окружении. В противоположность сильным, электромагнитные взаимодействия, воплощающиеся в обменах неимеющими массы фотонами, могут происходить между сколь угодно далекими частицами, вследствие чего электрические и магнитные силы хорошо известны в мире больших измерений. Считается, что гравитационные взаимодействия тоже осуществляются при помощи обмена особыми частицами — «гравитонами», однако слабость этих взаимодействий настолько велика, что гравитоны до сих пор не были обнаружены учеными, хотя никаких серьезных поводов сомневаться в их существовании нег.
Наконец, поскольку слабые взаимодействия становятся возможными только при том условии, что расстояние между частицами предельно невелико — гораздо меньше, чем при сильных взаимодействиях, физики считают, что эти взаимодействия осуществляются при помощи обмена очень тяжелыми частицами. По всей видимости, эти частицы выполняют роль, аналогичную роли фотона при электромагнитных взаимодействиях, и единственное их отличие от последнего заключается в том, что они гораздо тяжелее. По сути дела, именно аналогия с фотоном легла в основу последних модификаций теории квантового поля, получивших название «теории приборов» и позволивших построить единую теорию поля для электромагнитных и слабых взаимодействий.
Во многих процессах столкновений, находящих применение в физике высоких энергий, часто имеют место и сильные электромагнитные, и слабые взаимодействия, в результате чего возникают длинные цепочки последовательных превращений частиц. Частицы, первоначально принимавшие участие в столкновении, аннигилируют, образуя несколько новых частиц, которые тоже проходят несколько стадий распада, прежде чем превратиться в устойчивые частицы.
Здесь изображена одна из таких цепочек возникновений и исчезновений частиц. Обратите внимание на тот факт, что следы в пузырьковой камере могут оставлять только заряженные частицы; под воздействием магнитного поля они отклоняются в различных направлениях, в зависимости от знака заряда: положительные — по часовой стрелке, а отрицательные — против часовой стрелки. Этот график представляет собой прекрасное доказательство того факта, что на уровне частиц материя характеризуется колоссальной слитностью и взаимопроницаемостью, а также достоверное и наглядное изображение энергетических каскадов, сопровождающих образование и уничтожение различных структур, или, говоря другими словами, различных частиц.
Особенно поразительными представляются такие случаи, когда лишенный массы, но наделенный большим количеством энергии фотон, который никак не обнаруживает своего присутствия в пузырьковой камере, внезапно взрывается, образуя пару заряженных частиц (позитрон и электрон), которые тут же начинают двигаться по расходящимся дугам. На рисунке 36 запечатлен процесс, в котором образование пары противоположно заряженных частиц из электрически нейтрального фотона происходит целых два раза.
Для того, чтобы разогнать частицы до достаточно большой скорости, то есть, иными словами, для того, чтобы сообщить им достаточно большое количество энергии, используются мощные ускорители частиц. В большинстве случаев природные явления, происходящие на Земле, имеют более низкие энергетические характеристики, вследствие чего тяжелые частицы редко образуются на Земле в естественных условиях. В открытом космосе нас ждет совершенно иное положение дел: в центре звезд сосредоточены крупные скопления субатомных частиц, между которыми постоянно происходят естественные столкновения, аналогичные столкновениям внутри ускорителей современной экспериментальной физики. В некоторых звездах эти процессы порождают чрезвычайно мощное электромагнитное излучение, которое может принимать форму радиоволн, световых волн и рентгеновских лучей. Для астрономов это излучение представляет собой основной источник знаний и информации о Вселенной. Таким образом, межзвездное, как впрочем, и межгалактическое, пространство оказывается насыщенным электромагнитными излучениями различных частот, то есть фотонными потоками, обладающими различными запасами энергии. Тем не менее, фотоны — не единственные частицы, которые постоянно бороздят просторы космоса. «Космическое излучение» состоит не только из фотонов, но также и из тяжелых частиц, механизм образования которых до сих пор не вполне ясен. Большинство этих частиц составляют протоны; некоторые из них обладают очень большими запасами энергии, намного превышающими те предельные показатели, которые позволяют достичь самые мощные ускорители частиц.