Страница:
Вернемся к атому Резерфорда, который не имеет права на существование. Как сохранить жизнь электрону, который растрачивает энергию, обращаясь вокруг атомного ядра? Как уже говорилось выше, решение этой проблемы нашел Нильс Бор. Он постулировал, что электрон располагается не на любой произвольной орбите, а только на той, которая лежит на некотором вполне определенном расстоянии от ядра. Двигаясь по таким разрешенным орбитам, электроны не излучают, а следовательно, не теряют энергию. Испускание или поглощение энергии происходит при перескоке электрона с орбиты на орбиту, причем весьма важно то обстоятельство, что эта энергия квантована, то есть разбита на своего рода порции. Электрон стремится занять в атоме наиболее выгодный в энергетическом отношении уровень, где его энергия минимальна. Чем ближе орбита лежит к ядру, тем меньше энергия у находящегося на ней электрона. Если ближайшая к ядру орбита оказывается уже занятой, электрон взлетает на более высокую орбиту, но для этого ему необходимо приобрести дополнительную энергию, то есть поглотить квант света (электромагнитного излучения). Испустив квант электромагнитного излучения, электрон может спуститься этажом ниже.
Важно помнить, что все эти орбиты – как близкие, так и далекие – отнюдь не произвольны, а представляют собой жестко фиксированные энергетические уровни. В известном смысле систему электронных оболочек (или орбит) можно уподобить обыкновенной лестнице. Чтобы подняться вверх по ступенькам, нужно совершить работу, то есть затратить некоторую энергию. Спуск вниз дается несравненно легче, но висеть между ступеньками все равно нельзя: в каждый отдельно взятый момент времени верхолаз обязан занимать вполне конкретную ступеньку. Внутриатомная лестница фиксирована столь же жестко. Электрон, поглотивший квант электромагнитного излучения (напоминаем, что это строго отмеренная порция энергии), получает возможность шагнуть на следующую ступеньку, ибо его энергия возросла. Мерой этой энергии будет расстояние между ступеньками. Чем больше энергии приобретет электрон, тем выше он сможет вскарабкаться. Однако электрон всегда мечтает вернуться на первый этаж, так как это самая выгодная позиция. Он может сразу свалиться на исходный уровень, и тогда энергия испущенного им электромагнитного излучения будет в точности равна той, которая была первоначально поглощена. А вот если он застрянет посередине, то его излучение будет давать иную энергию, а следовательно, и длину волны. Итак, энергия, приобретаемая или теряемая электроном, определяется расстоянием между ступеньками.
Высвободившаяся из атома энергия может быть зарегистрирована. А поскольку каждый химический элемент имеет, так сказать, свой уникальный набор ступенек, спектры излучения различных веществ будут в высокой степени индивидуальны. Другими словами, каждый химический элемент имеет свою визитную карточку, что очень на руку астрофизикам. Изучая спектры далеких звезд, можно идентифицировать содержащиеся в них химические элементы.
Итак, мы пришли к выводу, что боровский атом ничуть не похож на атом Резерфорда. С другой стороны, к реальному атому он тоже имеет весьма косвенное отношение, потому что атом Бора (атом, который построил Бор, как поется в известной песне, пародирующей знаменитое английское стихотворение) – не более чем удобная модель, позволяющая понять суть процессов, совершающихся в мире элементарных частиц. Однако прежде чем перейти к фундаментальным кирпичам мироздания (сиречь вышеупомянутым элементарным частицам), необходимо хотя бы коротко остановиться на принципе неопределенности, который является альфой и омегой квантовой теории. Если выдающийся немецкий физик Макс Планк предположил в 1900 году, что никакое электромагнитное излучение (видимый свет, рентгеновские лучи, а также волны любых длин) не может генерироваться с произвольной интенсивностью, но непременно должно дозироваться порционно (Планк назвал эти порции квантами), то другой знаменитый немец, Вернер Гейзенберг, сформулировал свой основополагающий принцип.
Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, невозможно в одно и то же время точно измерить координаты частицы и ее скорость. Суть рассуждений Гейзенберга понять нетрудно. Если вы хотите предсказать, каким образом изменятся положение и скорость частицы, вы должны уметь производить точные измерения здесь и сейчас. Совершенно очевидно, что для этого вы должны направить на частицу пучок света, и чем короче будет длина волны светового пучка, тем точнее вам удастся рассчитать координаты частицы. Однако, исходя из гипотезы Планка, свет нельзя дозировать произвольно малыми порциями, ибо у него имеется некий неделимый фрагмент – один квант. Понятно, что этот квант непременно внесет возмущение в траекторию частицы и непредсказуемо поменяет ее скорость. Чтобы добиться большей точности в измерении координаты частицы, вы станете укорачивать длину волны, и тогда энергия кванта автоматически возрастет. (Длина волны связана с энергией кванта обратно пропорциональной зависимостью: чем короче длина волны, тем выше энергия.) Следовательно, скорость сразу же увеличится. Стивен Хокинг, один из столпов современной теоретической физики, пишет об этом так:
Прикоснуться к объекту, ничуть его не возмутив, сумел бы разве что Господь Бог, но мы безжалостно выносим его на свалку истории, ибо сказано: не следует умножать число сущностей сверх необходимости (Уильям Оккам, средневековый английский философ). Подход Оккама (или «бритва Оккама») в 20-х годах прошлого века был взят на вооружение Нильсом Бором, Вернером Гейзенбергом, Эрвином Шредингером и Полем Дираком, в результате чего классическая механика уступила место квантовой теории, во главу угла которой был положен принцип неопределенности.
Квантовая механика раз и навсегда перечеркнула детерминизм, на котором покоилась старая физика, и внесла в науку неизбежный элемент непредсказуемости. Бескрылая и плоская однозначность уступила место вероятностному подходу.
Зная исходные параметры системы, мы уже не можем гарантировать вполне определенного результата, а говорим лишь о том, что система будет находиться в том или ином состоянии с некоторой вероятностью. Это было настолько непривычно и удивительно! Даже такой еретик и революционер, как Альберт Эйнштейн, однажды в связи с этим в сердцах заявил, что Бог не играет в кости. Тем не менее большинство ученых сразу же приняли квантовую механику, поскольку она давала прекрасное согласование с экспериментом.
Из принципа неопределенности самым непосредственным образом вытекает так называемый корпускулярно-волновой дуализм. Любая частица может запросто обернуться волной, и наоборот: суть вещей, как ни странно, ускользает от строгих формулировок. Скажем, электромагнитное излучение распространяется в виде фиксированных порций, или квантов, что убедительно продемонстрировал Макс Планк. Однако в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга фотоны (кванты электромагнитного излучения) в то же самое время ведут себя как волны, не имеющие определенного положения в пространстве, но «размазанные» по нему с некоторым распределением вероятности. Свет в данном случае – отнюдь не исключение; точно так же ведут себя все прочие частицы, которые принято называть элементарными.
Физики немного лукавят, когда говорят, что электрон вращается вокруг атомного ядра, потому что в действительности ни о каком движении в привычном понимании этого слова здесь не может быть и речи: электрон не крутится, как заведенный, но находится в некотором определенном состоянии, которое описывается сложной волновой функцией. Иными словами, мы имеем право говорить только лишь о вероятности пребывания электрона в той или иной точке.
Закончим на этом наш короткий экскурс в квантовую механику и перейдем к рассмотрению элементарных частиц как таковых.
Если фотон или электрон бесспорно элементарны, то этого никак не скажешь о начинке атомного ядра – протонах и нейтронах, поскольку они имеют сложную внутреннюю структуру. Обе эти частицы представляют собой кварковые триплеты, то есть построены из более фундаментальных кирпичей – кварков, тех самых кварков, за открытие которых Мюррей Гелл-Манн был удостоен Нобелевской премии. Однако обо всем по порядку.
Основными свойствами всех без исключения элементарных частиц являются масса, заряд и спин. Масса частицы составляет часть ее полной энергии, потому что масса – это всего лишь другая ее форма. Масса может быть преобразована в энергию, и наоборот; взаимосвязь между этими двумя сторонами одной медали легко видеть в знаменитой формуле Альберта Эйнштейна Е = mс2, где Е – энергия, m – масса, а с – скорость света. Одни частицы имеют массу, а другие ее лишены. Например, физики говорят, что масса покоя фотона равняется нулю. Это просто-напросто означает, что покоящихся фотонов в природе не существует. Остается добавить, что распределение частиц по массам не подчиняется никакой внятной закономерности.
Электрический заряд – тоже знакомый зверь. С зарядом дело обстоит в точности так же, как и с массой: одни частицы его несут, а другие – нет. Частицы, не имеющие заряда, считаются электрически нейтральными. В отличие от массы, заряд бывает двух видов – положительный и отрицательный; заряды всех элементарных частиц кратны заряду электрона, за исключением кварков, заряд которых кратен 1/3 заряда электрона.
Спин элементарной частицы представляет собой некий внутренний момент ее вращения и пропорционален постоянной Планка. Если частица не вращается, ее спин равен нулю. Из соображений наглядности можно представить себе частицы в виде маленьких волчков или шариков, вращающихся вокруг своей оси, но всегда следует помнить, что подобная картина сугубо условна и не имеет с реальностью ничего общего. В квантовом мире элементарные частицы не имеют строго определенной оси вращения. Спин частицы дает нам представление о том, как она выглядит, если посмотреть на нее с разных сторон. Стивен Хокинг приводит хороший пример на этот счет.
В зависимости от их отношения к сильному взаимодействию (о четырех типах фундаментальных взаимодействий речь у нас впереди) фермионы, в свою очередь, подразделяются на два семейства. Те фермионы, которые принимают участие в процессах с сильным взаимодействием, называются кварками (протоны и нейтроны состоят из кварков), а все остальные, в сильных взаимодействиях не участвующие, – лептонами. Электрон входит в семейство лептонов; кроме него там помещаются еще пять частиц – электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тау-нейтрино и тау-лептон. Кварков тоже насчитывается шесть разновидностей – и-кварк, d-кварк, с-кварк, s-кварк, t-кварк и b-кварк. Таким образом, кирпичами мироздания, строительными блоками материи, которую мы повсеместно наблюдаем, являются 12 фундаментальных частиц – 6 кварков и 6 лептонов.
Среди бозонов, являющихся переносчиками фундаментальных взаимодействий и создающих силы, действующие между частицами вещества, наиболее известны фотоны, 8 разновидностей глюонов, 3 вида тяжелых векторных бозонов (W+-бозон, W--бозон и Z0-бозон) и пока еще не открытый гравитон.
Остается добавить, что в современной теории поля частицы выступают как мелкомасштабные волны соответствующих полей. Например, электромагнитное излучение может восприниматься и как волна (скажем, в случае радиоволн), и как частица (жесткие гамма-кванты). Если длина волны электромагнитного излучения значительно превышает размеры прибора, то она регистрируется как непрерывная волна, то есть бегущие колебания электрического и магнитного полей. В противном случае (при малой длине волны) прибор фиксирует свет в виде отдельных квантов – фотонов. Тогда говорят уже не о длине волны, а об энергии фотона. Классический пример корпускулярно-волнового дуализма.
Фермионы, из которых построено вещество Вселенной, – отнюдь не безучастные статисты на этом празднике жизни. Они взаимодействуют между собой, а в роли переносчиков взаимодействия (или сил, действующих между частицами вещества) выступают бозоны. Чтобы создать все многообразие явлений, природе потребовалось круглым счетом четыре типа взаимодействий – электромагнитное, слабое, сильное (или ядерное) и гравитационное. Имеются серьезные основания полагать, что первые три типа взаимодействий при некоторых условиях могут объединяться в одну силу, а раздельно они существуют только при низких уровнях энергии. К настоящему времени построена модель электрослабого взаимодействия (электромагнитное + слабое), а частицы-переносчики этой единой силы обнаружены экспериментально (три вида тяжелых векторных бозонов). Теория, объединяющая три силы в одну (электрослабое взаимодействие + сильное), называется теорией великого объединения, однако потребный для этого уровень энергий недоступен современным ускорителям. При еще более высоких энергиях собираются воедино все четыре силы природы. Такие условия существовали в очень юной Вселенной, когда мир еще только выпархивал из небытия.
Разберем четыре типа фундаментальных взаимодействий по порядку. Электрические и магнитные явления имеют общее происхождение и описываются в рамках электромагнитного взаимодействия, которое так или иначе связано с обменом или излучением фотонов (квантов электромагнитного излучения). Впервые это показал выдающийся английский физик Джеймс Максвелл еще в 1873 году. Электромагнитные силы действуют только между заряженными частицами (одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются). Радио, телевидение, сотовая связь и многие другие удобные и полезные вещи немыслимы без феномена электромагнетизма, поскольку эти силы, основанные на противоборстве двух полярных начал, способны распространяться на значительные расстояния. Более того, атомы и молекулы, из которых построено вещество, тоже обязаны своим существованием электромагнитному взаимодействию. Силы электромагнитного притяжения удерживают электроны внутри атомов, заставляя их вращаться вокруг атомного ядра. В роли переносчика электромагнитных сил выступает безмассовая частица со спином 1 – фотон (физики говорят, что масса покоя фотона равняется нулю).
Взаимодействие между двумя заряженными частицами (притягиваются они или отталкиваются, в данном случае роли не играет) представляет собой результат обмена большим числом так называемых виртуальных фотонов. В отличие от «реальных» частиц, их виртуальные сестры принципиально ненаблюдаемы, их невозможно зарегистрировать при помощи детектора. Поясним сказанное на примере. Вообразим себе некий закрытый контейнер, внутри которого ничего нет, – ни излучения, ни вещества. Другими словами, там содержится только вакуум, абсолютная пустота. Но чтобы удостовериться, что контейнер действительно пуст, мы должны осветить его нутро – послать туда луч света. А поскольку свет распространяется с конечной скоростью, процесс измерения займет некоторое время. Сказать с полной определенностью, что контейнер пуст, мы сможем только в тот момент, когда вернувшийся из контейнера световой пучок достигнет нашего детектора. При этом у нас нет никакой уверенности, что контейнер оставался пустым все время на протяжении процедуры измерения.Не исключено, что энергия вакуума могла колебаться (флуктуировать) около нуля, порождая короткоживущие частицы-призраки, которые гибнут раньше, чем мы успеваем их засечь. Они выныривают из пустоты и вновь прячутся в ней настолько стремительно, что мы не можем обнаружить их в принципе, даже если располагаем самой совершенной измерительной аппаратурой. Такие частицы принято называть виртуальными.
Разумеется, не все фотоны виртуальны. Кванты света, которые высвобождаются в результате перехода электрона с орбиты на орбиту, представляют собой вполне реальные фотоны. Аналогичным образом при соударении реального фотона с атомом электрон может перескочить на более удаленную от ядра орбиту. В этом случае энергия фотона будет поглощена. Итак, подытожим: электромагнитная сила действует между всеми частицами, несущими электрический заряд, а ее переносчиками являются виртуальные фотоны. А поскольку масса покоя фотона равна нулю, электромагнитное взаимодействие может передаваться на большие расстояния.
Слабое взаимодействие отвечает за некоторые превращения в мире элементарных частиц. Хороший пример сил этого типа – так называемый бета-распад нестабильных атомных ядер, в результате которого внутриядерный нейтрон превращается в протон, а из ядра вылетают электрон и антинейтрино. В слабом взаимодействии участвуют все частицы со спином 1/2 (то есть все фермионы), а его переносчиками являются тяжелые векторные бозоны со спином 1 (W+-бозон, W--бозон и Z0-бозон). Поскольку векторные бозоны – чрезвычайно массивные частицы (они тяжелее протона почти в 100 раз), слабое взаимодействие эффективно только на сверхмалых расстояниях порядка 10-16– 10-17см. Как уже говорилось, слабое взаимодействие удалось объединить с электромагнитным. Это было сделано в стандартной модели Вайнберга – Салама, о которой подробно рассказывается в главе «И тьма пришла». Слабое взаимодействие имеет самое непосредственное отношение к термоядерным реакциям, в ходе которых водород в звездных недрах превращается в гелий, а также к некоторым другим процессам, сопровождающим эволюцию звезд разных типов.
Сильное (или ядерное) взаимодействие удерживает кварки внутри нуклонов, а протоны и нейтроны – внутри атомного ядра, преодолевая силы кулоновского отталкивания (протоны имеют одноименный заряд). Как мы помним, существует шесть разновидностей (или ароматов) кварков – и-кварк, d-кварк, с-кварк, s-кварк, t-кварк и b-кварк. Их названия образованы от английских слов up – «вверх», down – «вниз», charm – «очарование», strange – «странный», truth – «правдивый» и beautiful – «прекрасный». Видимо, физиков утомили латынь и греческий, и они решили назвать фундаментальные кирпичи верхними, нижними, очарованными, странными, правдивыми и прекрасными частицами. Протоны и нейтроны представляют собой кварковые триплеты, однако в их состав входят только кварки двух ароматов – und. Протон построен из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон – из двух d-кварков и одного u-кварка. А поскольку d-кварк чуть увесистее u-кварка, нейтрон немного тяжелее протона. Разница в их зарядах (протон заряжен положительно, а нейтрон заряда не имеет) тоже объясняется особенностями внутреннего строения, так как кварки несут дробный электрический заряд (2/3 и -1/3). Таким образом, из трех кварков, два из которых имеют заряд плюс 2/3, а один – минус 1/3, получается протон с зарядом +1. А нейтрон состоит из одного кварка с зарядом 2/3 и двух с зарядом минус 1/3, поэтому в результате выходит ноль. Из кварков других типов (странного, очарованного, b и t) тоже можно строить частицы, но они оказываются нестабильными и быстро распадаются на протоны и нейтроны.
Кроме того, каждый кварк может находиться в трех различных состояниях, которые принято называть цветом (красный, желтый и зеленый). Разумеется, в действительности никакого цвета у кварков нет, это просто удобные общепринятые обозначения их свойств. Элементарные частицы состоят из кварков разных цветов, но всегда в таких комбинациях, чтобы в результате получилась бесцветная частица. Например, триплет «красный + зеленый + синий» окажется протоном или нейтроном. С наличием у кварков цвета тесно связано явление так называемого конфайнмента кварков («невылетания», «удержания» в переводе с английского). Дело в том, что кварки никогда не встречаются изолированно, а существуют в тесной кооперации друг с другом, в виде уже знакомых нам кварковых триплетов. Обнаружить отдельно взятый кварк не удалось пока еще никому. Если бы кварк вздумал обособиться и жить самостоятельно, он моментально приобрел бы цвет, что запрещено условиями задачи: конфайнмент обязывает их удерживаться в бесцветных комбинациях. Правда, при очень высоких энергиях сильное взаимодействие заметно ослабевает, и тогда кварки начинают вести себя почти как свободные частицы. Такая кварк-глюонная плазма существовала на ранних стадиях жизни нашей Вселенной.
Кварки удерживаются в триплетах за счет частиц-переносчиков сильного взаимодействия – глюонов (от английского glue – «клей», «клеить»), которые склеивают их между собой. Глюоны имеют нулевую массу и спин, равный единице. В отличие от всех прочих типов взаимодействий, ядерные силы не ослабевают по мере удаления кварков друг от друга, а напротив, растут. Глюоны можно уподобить тугим резинкам, соединяющим кварки между собой. Пока они располагаются бок о бок, резинки висят свободно, позволяя кваркам чувствовать себя сравнительно вольготно. Но стоит им попытаться отодвинуться друг от друга, как резинки немедленно натягиваются и возвращают озорников в исходное положение. Ядерные силы эффективны только на очень малых расстояниях порядка 10-13– 10-15сантиметров.
Нам осталось рассмотреть четвертый тип фундаментальных сил – гравитацию, которая носит универсальный характер и заставляет тела притягиваться друг к другу. Гравитационное взаимодействие – самое слабое из всех: сила электромагнитного отталкивания превышает стягивающую силу гравитации примерно в 1043раз. Однако слабость гравитационного взаимодействия с лихвой искупается огромными размерами небесных тел, состоящих из астрономического количества частиц, поэтому силы гравитации между планетами или звездами могут дать очень большую величину. Кроме того, если электромагнитные силы действуют только на заряженные объекты, то гравитация оказывает влияние на все без исключения тела и частицы нашей Вселенной, обладающие массой.
Переносчиком гравитационного взаимодействия является пока еще не открытая частица гравитон, которая должна иметь нулевую массу покоя и спин, равный двум. Как и электромагнетизм, гравитационное взаимодействие представляет собой дальнодействующую силу (фотон тоже безмассовая частица). Построение квантовой теории гравитации сопряжено с большими трудностями, поэтому гравитационные силы нередко рассматриваются как проявление метрики пространства-времени. Скажем, в рамках общей теории относительности гравитация эквивалентна искривлению пространства-времени. Подробнее об этих непростых вещах мы поговорим позже.
В заключение остается сказать, что у каждой элементарной частицы есть своя античастица – своего рода частица-двойник, обладающая той же массой, но зарядом противоположного знака (если частица заряда не имеет, то ее антипод несет противоположный спин). При столкновении частиц и античастиц происходит их взаимное уничтожение (аннигиляция) с выделением огромного количества энергии. Чаще всего конечным продуктом аннигиляции являются фотоны и пи-мезоны. О частицах и античастицах мы тоже еще не раз поговорим впоследствии.
Важно помнить, что все эти орбиты – как близкие, так и далекие – отнюдь не произвольны, а представляют собой жестко фиксированные энергетические уровни. В известном смысле систему электронных оболочек (или орбит) можно уподобить обыкновенной лестнице. Чтобы подняться вверх по ступенькам, нужно совершить работу, то есть затратить некоторую энергию. Спуск вниз дается несравненно легче, но висеть между ступеньками все равно нельзя: в каждый отдельно взятый момент времени верхолаз обязан занимать вполне конкретную ступеньку. Внутриатомная лестница фиксирована столь же жестко. Электрон, поглотивший квант электромагнитного излучения (напоминаем, что это строго отмеренная порция энергии), получает возможность шагнуть на следующую ступеньку, ибо его энергия возросла. Мерой этой энергии будет расстояние между ступеньками. Чем больше энергии приобретет электрон, тем выше он сможет вскарабкаться. Однако электрон всегда мечтает вернуться на первый этаж, так как это самая выгодная позиция. Он может сразу свалиться на исходный уровень, и тогда энергия испущенного им электромагнитного излучения будет в точности равна той, которая была первоначально поглощена. А вот если он застрянет посередине, то его излучение будет давать иную энергию, а следовательно, и длину волны. Итак, энергия, приобретаемая или теряемая электроном, определяется расстоянием между ступеньками.
Высвободившаяся из атома энергия может быть зарегистрирована. А поскольку каждый химический элемент имеет, так сказать, свой уникальный набор ступенек, спектры излучения различных веществ будут в высокой степени индивидуальны. Другими словами, каждый химический элемент имеет свою визитную карточку, что очень на руку астрофизикам. Изучая спектры далеких звезд, можно идентифицировать содержащиеся в них химические элементы.
Итак, мы пришли к выводу, что боровский атом ничуть не похож на атом Резерфорда. С другой стороны, к реальному атому он тоже имеет весьма косвенное отношение, потому что атом Бора (атом, который построил Бор, как поется в известной песне, пародирующей знаменитое английское стихотворение) – не более чем удобная модель, позволяющая понять суть процессов, совершающихся в мире элементарных частиц. Однако прежде чем перейти к фундаментальным кирпичам мироздания (сиречь вышеупомянутым элементарным частицам), необходимо хотя бы коротко остановиться на принципе неопределенности, который является альфой и омегой квантовой теории. Если выдающийся немецкий физик Макс Планк предположил в 1900 году, что никакое электромагнитное излучение (видимый свет, рентгеновские лучи, а также волны любых длин) не может генерироваться с произвольной интенсивностью, но непременно должно дозироваться порционно (Планк назвал эти порции квантами), то другой знаменитый немец, Вернер Гейзенберг, сформулировал свой основополагающий принцип.
Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, невозможно в одно и то же время точно измерить координаты частицы и ее скорость. Суть рассуждений Гейзенберга понять нетрудно. Если вы хотите предсказать, каким образом изменятся положение и скорость частицы, вы должны уметь производить точные измерения здесь и сейчас. Совершенно очевидно, что для этого вы должны направить на частицу пучок света, и чем короче будет длина волны светового пучка, тем точнее вам удастся рассчитать координаты частицы. Однако, исходя из гипотезы Планка, свет нельзя дозировать произвольно малыми порциями, ибо у него имеется некий неделимый фрагмент – один квант. Понятно, что этот квант непременно внесет возмущение в траекторию частицы и непредсказуемо поменяет ее скорость. Чтобы добиться большей точности в измерении координаты частицы, вы станете укорачивать длину волны, и тогда энергия кванта автоматически возрастет. (Длина волны связана с энергией кванта обратно пропорциональной зависимостью: чем короче длина волны, тем выше энергия.) Следовательно, скорость сразу же увеличится. Стивен Хокинг, один из столпов современной теоретической физики, пишет об этом так:
Иными словами, чем точнее вы пытаетесь измерить положение частицы, тем менее точными будут измерения ее скорости, и наоборот. Гейзенберг показал, что неопределенность в положении частицы, умноженная на неопределенность в ее скорости и на ее массу, не может быть меньше некоторого числа, которое называется сейчас постоянной Планка. Это число не зависит ни от способа, которым измеряется положение или скорость частицы, ни от типа этой частицы, т. е. принцип неопределенности Гейзенберга является фундаментальным, обязательным свойством нашего мира.Принцип неопределенности имеет далекоидущие следствия, в том числе и философского характера. Окончательно накрылась медным тазом дерзкая мечта детерминистов, которые на голубом глазу брались предсказывать будущее Вселенной, если в их распоряжении окажутся точные координаты всех составляющих ее частиц. Стало понятно, что субъект и объект познания не могут существовать друг без друга и навсегда повязаны одной веревочкой.
Прикоснуться к объекту, ничуть его не возмутив, сумел бы разве что Господь Бог, но мы безжалостно выносим его на свалку истории, ибо сказано: не следует умножать число сущностей сверх необходимости (Уильям Оккам, средневековый английский философ). Подход Оккама (или «бритва Оккама») в 20-х годах прошлого века был взят на вооружение Нильсом Бором, Вернером Гейзенбергом, Эрвином Шредингером и Полем Дираком, в результате чего классическая механика уступила место квантовой теории, во главу угла которой был положен принцип неопределенности.
Квантовая механика раз и навсегда перечеркнула детерминизм, на котором покоилась старая физика, и внесла в науку неизбежный элемент непредсказуемости. Бескрылая и плоская однозначность уступила место вероятностному подходу.
Зная исходные параметры системы, мы уже не можем гарантировать вполне определенного результата, а говорим лишь о том, что система будет находиться в том или ином состоянии с некоторой вероятностью. Это было настолько непривычно и удивительно! Даже такой еретик и революционер, как Альберт Эйнштейн, однажды в связи с этим в сердцах заявил, что Бог не играет в кости. Тем не менее большинство ученых сразу же приняли квантовую механику, поскольку она давала прекрасное согласование с экспериментом.
Из принципа неопределенности самым непосредственным образом вытекает так называемый корпускулярно-волновой дуализм. Любая частица может запросто обернуться волной, и наоборот: суть вещей, как ни странно, ускользает от строгих формулировок. Скажем, электромагнитное излучение распространяется в виде фиксированных порций, или квантов, что убедительно продемонстрировал Макс Планк. Однако в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга фотоны (кванты электромагнитного излучения) в то же самое время ведут себя как волны, не имеющие определенного положения в пространстве, но «размазанные» по нему с некоторым распределением вероятности. Свет в данном случае – отнюдь не исключение; точно так же ведут себя все прочие частицы, которые принято называть элементарными.
Физики немного лукавят, когда говорят, что электрон вращается вокруг атомного ядра, потому что в действительности ни о каком движении в привычном понимании этого слова здесь не может быть и речи: электрон не крутится, как заведенный, но находится в некотором определенном состоянии, которое описывается сложной волновой функцией. Иными словами, мы имеем право говорить только лишь о вероятности пребывания электрона в той или иной точке.
Закончим на этом наш короткий экскурс в квантовую механику и перейдем к рассмотрению элементарных частиц как таковых.
Если фотон или электрон бесспорно элементарны, то этого никак не скажешь о начинке атомного ядра – протонах и нейтронах, поскольку они имеют сложную внутреннюю структуру. Обе эти частицы представляют собой кварковые триплеты, то есть построены из более фундаментальных кирпичей – кварков, тех самых кварков, за открытие которых Мюррей Гелл-Манн был удостоен Нобелевской премии. Однако обо всем по порядку.
Основными свойствами всех без исключения элементарных частиц являются масса, заряд и спин. Масса частицы составляет часть ее полной энергии, потому что масса – это всего лишь другая ее форма. Масса может быть преобразована в энергию, и наоборот; взаимосвязь между этими двумя сторонами одной медали легко видеть в знаменитой формуле Альберта Эйнштейна Е = mс2, где Е – энергия, m – масса, а с – скорость света. Одни частицы имеют массу, а другие ее лишены. Например, физики говорят, что масса покоя фотона равняется нулю. Это просто-напросто означает, что покоящихся фотонов в природе не существует. Остается добавить, что распределение частиц по массам не подчиняется никакой внятной закономерности.
Электрический заряд – тоже знакомый зверь. С зарядом дело обстоит в точности так же, как и с массой: одни частицы его несут, а другие – нет. Частицы, не имеющие заряда, считаются электрически нейтральными. В отличие от массы, заряд бывает двух видов – положительный и отрицательный; заряды всех элементарных частиц кратны заряду электрона, за исключением кварков, заряд которых кратен 1/3 заряда электрона.
Спин элементарной частицы представляет собой некий внутренний момент ее вращения и пропорционален постоянной Планка. Если частица не вращается, ее спин равен нулю. Из соображений наглядности можно представить себе частицы в виде маленьких волчков или шариков, вращающихся вокруг своей оси, но всегда следует помнить, что подобная картина сугубо условна и не имеет с реальностью ничего общего. В квантовом мире элементарные частицы не имеют строго определенной оси вращения. Спин частицы дает нам представление о том, как она выглядит, если посмотреть на нее с разных сторон. Стивен Хокинг приводит хороший пример на этот счет.
Частица со спином 0 похожа на точку: она выглядит со всех сторон одинаково. Частицу со спином 1 можно сравнить со стрелой: с разных сторон она выглядит по-разному и принимает тот же вид лишь после полного оборота на 360°. Частицу со спином 2 можно сравнить со стрелой, заточенной с обеих сторон: любое ее положение повторяется после полуоборота (180°). Аналогичным образом частица с более высоким спином возвращается в первоначальное состояние при повороте на еще меньшую часть полного оборота. Это все довольно очевидно, а удивительно другое – существуют частицы, которые после полного оборота не принимают прежний вид: их нужно дважды полностью повернуть! Говорят, что такие частицы обладают спином 1/2.Все известные элементарные частицы можно разделить на две группы в зависимости от величины спина, который они несут. Если спин выражается целым числом (0, 1, 2 и т. д.), то такие частицы называют бозонами, а если полуцелым (1/2, 3/2, 5/2 и т. д.) – фермионами. Эти названия образованы от фамилий двух известных физиков-теоретиков Сатиендра Бозе и Энрико Ферми. Все вещество во Вселенной построено из фермионов – частиц с полуцелым спином, а силы, действующие между частицами вещества, создаются бозонами, имеющими целочисленный спин. Спин электрона составляет 1/2, поэтому он попадает в группу фермионов.
В зависимости от их отношения к сильному взаимодействию (о четырех типах фундаментальных взаимодействий речь у нас впереди) фермионы, в свою очередь, подразделяются на два семейства. Те фермионы, которые принимают участие в процессах с сильным взаимодействием, называются кварками (протоны и нейтроны состоят из кварков), а все остальные, в сильных взаимодействиях не участвующие, – лептонами. Электрон входит в семейство лептонов; кроме него там помещаются еще пять частиц – электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тау-нейтрино и тау-лептон. Кварков тоже насчитывается шесть разновидностей – и-кварк, d-кварк, с-кварк, s-кварк, t-кварк и b-кварк. Таким образом, кирпичами мироздания, строительными блоками материи, которую мы повсеместно наблюдаем, являются 12 фундаментальных частиц – 6 кварков и 6 лептонов.
Среди бозонов, являющихся переносчиками фундаментальных взаимодействий и создающих силы, действующие между частицами вещества, наиболее известны фотоны, 8 разновидностей глюонов, 3 вида тяжелых векторных бозонов (W+-бозон, W--бозон и Z0-бозон) и пока еще не открытый гравитон.
Остается добавить, что в современной теории поля частицы выступают как мелкомасштабные волны соответствующих полей. Например, электромагнитное излучение может восприниматься и как волна (скажем, в случае радиоволн), и как частица (жесткие гамма-кванты). Если длина волны электромагнитного излучения значительно превышает размеры прибора, то она регистрируется как непрерывная волна, то есть бегущие колебания электрического и магнитного полей. В противном случае (при малой длине волны) прибор фиксирует свет в виде отдельных квантов – фотонов. Тогда говорят уже не о длине волны, а об энергии фотона. Классический пример корпускулярно-волнового дуализма.
Фермионы, из которых построено вещество Вселенной, – отнюдь не безучастные статисты на этом празднике жизни. Они взаимодействуют между собой, а в роли переносчиков взаимодействия (или сил, действующих между частицами вещества) выступают бозоны. Чтобы создать все многообразие явлений, природе потребовалось круглым счетом четыре типа взаимодействий – электромагнитное, слабое, сильное (или ядерное) и гравитационное. Имеются серьезные основания полагать, что первые три типа взаимодействий при некоторых условиях могут объединяться в одну силу, а раздельно они существуют только при низких уровнях энергии. К настоящему времени построена модель электрослабого взаимодействия (электромагнитное + слабое), а частицы-переносчики этой единой силы обнаружены экспериментально (три вида тяжелых векторных бозонов). Теория, объединяющая три силы в одну (электрослабое взаимодействие + сильное), называется теорией великого объединения, однако потребный для этого уровень энергий недоступен современным ускорителям. При еще более высоких энергиях собираются воедино все четыре силы природы. Такие условия существовали в очень юной Вселенной, когда мир еще только выпархивал из небытия.
Разберем четыре типа фундаментальных взаимодействий по порядку. Электрические и магнитные явления имеют общее происхождение и описываются в рамках электромагнитного взаимодействия, которое так или иначе связано с обменом или излучением фотонов (квантов электромагнитного излучения). Впервые это показал выдающийся английский физик Джеймс Максвелл еще в 1873 году. Электромагнитные силы действуют только между заряженными частицами (одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются). Радио, телевидение, сотовая связь и многие другие удобные и полезные вещи немыслимы без феномена электромагнетизма, поскольку эти силы, основанные на противоборстве двух полярных начал, способны распространяться на значительные расстояния. Более того, атомы и молекулы, из которых построено вещество, тоже обязаны своим существованием электромагнитному взаимодействию. Силы электромагнитного притяжения удерживают электроны внутри атомов, заставляя их вращаться вокруг атомного ядра. В роли переносчика электромагнитных сил выступает безмассовая частица со спином 1 – фотон (физики говорят, что масса покоя фотона равняется нулю).
Взаимодействие между двумя заряженными частицами (притягиваются они или отталкиваются, в данном случае роли не играет) представляет собой результат обмена большим числом так называемых виртуальных фотонов. В отличие от «реальных» частиц, их виртуальные сестры принципиально ненаблюдаемы, их невозможно зарегистрировать при помощи детектора. Поясним сказанное на примере. Вообразим себе некий закрытый контейнер, внутри которого ничего нет, – ни излучения, ни вещества. Другими словами, там содержится только вакуум, абсолютная пустота. Но чтобы удостовериться, что контейнер действительно пуст, мы должны осветить его нутро – послать туда луч света. А поскольку свет распространяется с конечной скоростью, процесс измерения займет некоторое время. Сказать с полной определенностью, что контейнер пуст, мы сможем только в тот момент, когда вернувшийся из контейнера световой пучок достигнет нашего детектора. При этом у нас нет никакой уверенности, что контейнер оставался пустым все время на протяжении процедуры измерения.Не исключено, что энергия вакуума могла колебаться (флуктуировать) около нуля, порождая короткоживущие частицы-призраки, которые гибнут раньше, чем мы успеваем их засечь. Они выныривают из пустоты и вновь прячутся в ней настолько стремительно, что мы не можем обнаружить их в принципе, даже если располагаем самой совершенной измерительной аппаратурой. Такие частицы принято называть виртуальными.
Разумеется, не все фотоны виртуальны. Кванты света, которые высвобождаются в результате перехода электрона с орбиты на орбиту, представляют собой вполне реальные фотоны. Аналогичным образом при соударении реального фотона с атомом электрон может перескочить на более удаленную от ядра орбиту. В этом случае энергия фотона будет поглощена. Итак, подытожим: электромагнитная сила действует между всеми частицами, несущими электрический заряд, а ее переносчиками являются виртуальные фотоны. А поскольку масса покоя фотона равна нулю, электромагнитное взаимодействие может передаваться на большие расстояния.
Слабое взаимодействие отвечает за некоторые превращения в мире элементарных частиц. Хороший пример сил этого типа – так называемый бета-распад нестабильных атомных ядер, в результате которого внутриядерный нейтрон превращается в протон, а из ядра вылетают электрон и антинейтрино. В слабом взаимодействии участвуют все частицы со спином 1/2 (то есть все фермионы), а его переносчиками являются тяжелые векторные бозоны со спином 1 (W+-бозон, W--бозон и Z0-бозон). Поскольку векторные бозоны – чрезвычайно массивные частицы (они тяжелее протона почти в 100 раз), слабое взаимодействие эффективно только на сверхмалых расстояниях порядка 10-16– 10-17см. Как уже говорилось, слабое взаимодействие удалось объединить с электромагнитным. Это было сделано в стандартной модели Вайнберга – Салама, о которой подробно рассказывается в главе «И тьма пришла». Слабое взаимодействие имеет самое непосредственное отношение к термоядерным реакциям, в ходе которых водород в звездных недрах превращается в гелий, а также к некоторым другим процессам, сопровождающим эволюцию звезд разных типов.
Сильное (или ядерное) взаимодействие удерживает кварки внутри нуклонов, а протоны и нейтроны – внутри атомного ядра, преодолевая силы кулоновского отталкивания (протоны имеют одноименный заряд). Как мы помним, существует шесть разновидностей (или ароматов) кварков – и-кварк, d-кварк, с-кварк, s-кварк, t-кварк и b-кварк. Их названия образованы от английских слов up – «вверх», down – «вниз», charm – «очарование», strange – «странный», truth – «правдивый» и beautiful – «прекрасный». Видимо, физиков утомили латынь и греческий, и они решили назвать фундаментальные кирпичи верхними, нижними, очарованными, странными, правдивыми и прекрасными частицами. Протоны и нейтроны представляют собой кварковые триплеты, однако в их состав входят только кварки двух ароматов – und. Протон построен из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон – из двух d-кварков и одного u-кварка. А поскольку d-кварк чуть увесистее u-кварка, нейтрон немного тяжелее протона. Разница в их зарядах (протон заряжен положительно, а нейтрон заряда не имеет) тоже объясняется особенностями внутреннего строения, так как кварки несут дробный электрический заряд (2/3 и -1/3). Таким образом, из трех кварков, два из которых имеют заряд плюс 2/3, а один – минус 1/3, получается протон с зарядом +1. А нейтрон состоит из одного кварка с зарядом 2/3 и двух с зарядом минус 1/3, поэтому в результате выходит ноль. Из кварков других типов (странного, очарованного, b и t) тоже можно строить частицы, но они оказываются нестабильными и быстро распадаются на протоны и нейтроны.
Кроме того, каждый кварк может находиться в трех различных состояниях, которые принято называть цветом (красный, желтый и зеленый). Разумеется, в действительности никакого цвета у кварков нет, это просто удобные общепринятые обозначения их свойств. Элементарные частицы состоят из кварков разных цветов, но всегда в таких комбинациях, чтобы в результате получилась бесцветная частица. Например, триплет «красный + зеленый + синий» окажется протоном или нейтроном. С наличием у кварков цвета тесно связано явление так называемого конфайнмента кварков («невылетания», «удержания» в переводе с английского). Дело в том, что кварки никогда не встречаются изолированно, а существуют в тесной кооперации друг с другом, в виде уже знакомых нам кварковых триплетов. Обнаружить отдельно взятый кварк не удалось пока еще никому. Если бы кварк вздумал обособиться и жить самостоятельно, он моментально приобрел бы цвет, что запрещено условиями задачи: конфайнмент обязывает их удерживаться в бесцветных комбинациях. Правда, при очень высоких энергиях сильное взаимодействие заметно ослабевает, и тогда кварки начинают вести себя почти как свободные частицы. Такая кварк-глюонная плазма существовала на ранних стадиях жизни нашей Вселенной.
Кварки удерживаются в триплетах за счет частиц-переносчиков сильного взаимодействия – глюонов (от английского glue – «клей», «клеить»), которые склеивают их между собой. Глюоны имеют нулевую массу и спин, равный единице. В отличие от всех прочих типов взаимодействий, ядерные силы не ослабевают по мере удаления кварков друг от друга, а напротив, растут. Глюоны можно уподобить тугим резинкам, соединяющим кварки между собой. Пока они располагаются бок о бок, резинки висят свободно, позволяя кваркам чувствовать себя сравнительно вольготно. Но стоит им попытаться отодвинуться друг от друга, как резинки немедленно натягиваются и возвращают озорников в исходное положение. Ядерные силы эффективны только на очень малых расстояниях порядка 10-13– 10-15сантиметров.
Нам осталось рассмотреть четвертый тип фундаментальных сил – гравитацию, которая носит универсальный характер и заставляет тела притягиваться друг к другу. Гравитационное взаимодействие – самое слабое из всех: сила электромагнитного отталкивания превышает стягивающую силу гравитации примерно в 1043раз. Однако слабость гравитационного взаимодействия с лихвой искупается огромными размерами небесных тел, состоящих из астрономического количества частиц, поэтому силы гравитации между планетами или звездами могут дать очень большую величину. Кроме того, если электромагнитные силы действуют только на заряженные объекты, то гравитация оказывает влияние на все без исключения тела и частицы нашей Вселенной, обладающие массой.
Переносчиком гравитационного взаимодействия является пока еще не открытая частица гравитон, которая должна иметь нулевую массу покоя и спин, равный двум. Как и электромагнетизм, гравитационное взаимодействие представляет собой дальнодействующую силу (фотон тоже безмассовая частица). Построение квантовой теории гравитации сопряжено с большими трудностями, поэтому гравитационные силы нередко рассматриваются как проявление метрики пространства-времени. Скажем, в рамках общей теории относительности гравитация эквивалентна искривлению пространства-времени. Подробнее об этих непростых вещах мы поговорим позже.
В заключение остается сказать, что у каждой элементарной частицы есть своя античастица – своего рода частица-двойник, обладающая той же массой, но зарядом противоположного знака (если частица заряда не имеет, то ее антипод несет противоположный спин). При столкновении частиц и античастиц происходит их взаимное уничтожение (аннигиляция) с выделением огромного количества энергии. Чаще всего конечным продуктом аннигиляции являются фотоны и пи-мезоны. О частицах и античастицах мы тоже еще не раз поговорим впоследствии.