Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Пора, кстати, раскрыть карты: – это электрон, наша прекрасная стабильная частица, основа химии и разнообразного другого благополучия; – его более тяжелый двойник мюон, пригодившийся нам на одной из прогулок для тестирования замедления времени; их третий собрат называется тау-лептоном, или тауоном, или (пожалуй, чаще) просто тау. Электрический заряд каждого из них равен минус единице. В составе мира на постоянной основе присутствует единственный стабильный представитель этой троицы, электрон[314]. Его античастица – позитрон – сама по себе тоже стабильна, но, как только в сдаче оказывается позитрон, он быстро находит себе один из многочисленных электронов по соседству и немедленно с ним аннигилирует.
Три карты с нулями – это нейтрино, а три с нулями с чертой – антинейтрино. Это легкие частицы, которые носятся по Вселенной, практически ни в чем не участвуя. Точнее говоря, они совсем не участвуют в создании структур, а кроме того, чрезвычайно слабо взаимодействуют со всеми другими элементарными частицами. Нуль указывает на их электрический заряд: он отсутствует, из-за чего нейтрино невосприимчивы к электромагнитному взаимодействию; невосприимчивы они и к сильному ядерному взаимодействию, и их единственный контакт с миром, кроме гравитации, – слабое ядерное взаимодействие. С точки зрения отношений внутри своей семьи нейтрино стоят особняком от остальных карт: более темные не испытывают необходимости исчезнуть, навсегда превратившись во что-то светлое. Вместо этого нейтрино разных мастей запутаны друг с другом, что выражается в так называемых «осцилляциях» – самопроизвольном последовательном превращении между всеми тремя мастями. Если не вдаваться в более технические подробности, то можно считать, что, получив на руки карту со светлым нейтрино, вы через некоторое время обнаружите, что она превратилась в карту с серым или темным нейтрино, и такие превращения «по кругу» идут безостановочно, на деле являясь для нейтрино способом существования.
Карты двух оставшихся значений 2/3 и –1/3 – это кварки, и это отдельная история. В светлой масти это u (или up) кварк и d (или down) кварк Они входят в состав протона и нейтрона, а потому сидят во всех атомных ядрах, т. е. везде вокруг нас, да и внутри нас. Если вы желаете предъявить протон или нейтрон, то вам необходимо собрать вполне определенные комбинации, причем только в одной, светлой, масти:
Кварки двух других мастей – более массивные варианты двух светлых, и, будучи более массивными, они долго не живут. Собственно говоря, и из двух светлых по-настоящему стабилен только один, потому что второй обладает средним временем жизни около 900 с, превращаясь как (заряд справа и слева, как видим, один и тот же). В правой части – u-кварк, электрон и электронное антинейтрино, что общепринятым образом выражается как d u + e + ve. Это превращение не происходит, когда карты составляют «правильную комбинацию», а именно протон; в нейтроне, предоставленном самому себе, оно все-таки случается, из-за чего нейтрон превращается в протон, но внутри атомных ядер нейтроны такого в основном не делают, благодаря чему и существуют стабильные ядра[315]. Рекордсмен по скоротечности жизни – так называемый t (top) кварк он распадается в среднем через невыразимо короткие 5 × 10–25 с (за это время свет пролетает расстояние в полторы десятитысячные размера атомного ядра).
Возвращаясь к протонам и нейтронам, из которых собраны все атомные ядра, полезно сложить значения карт в каждой из приведенных выше комбинаций: получаем электрический заряд протона 2/3 + 2/3 – 1/3 = 1 и нейтрона 2/3 – 1/3 – 1/3 = 0. Очень общее правило состоит в том, что запрещено показывать карты с дробным значением заряда: в природе кварки не присутствуют поодиночке, отдельный кварк нельзя «вынуть» из протона, нейтрона или другой частицы, в состав которой он входит; кварки присутствуют в мире лишь в комбинациях, удовлетворяющих нескольким условиям, среди которых важное (хотя и не единственное) – целочисленный (а не дробный) заряд. Целочисленные заряды можно собирать и другими способами: например, комбинация (где использованы карта и антикарта!) имеет заряд +1 и представляет собой положительно заряженный пи-мезон, а противоположная ей комбинация дает его античастицу с зарядом –1. Эти частицы играют роль передатчиков ядерного взаимодействия между протонами и нейтронами, но сами по себе они нестабильны. Пи-мезон с зарядом +1 живет в среднем 26 миллиардных долей секунды, после чего превращается главным образом в антимюон и мюонное нейтрино.
Тот факт, что протон и нейтрон нельзя разделить на кварки, выглядит необычно в сравнении со свойствами обычных предметов: все, состоящее из нескольких деталей, можно разобрать на эти детали (или разломать на какие-то другие части), стоит только должным образом потратить энергию, превосходящую энергию связи этих деталей. Поэтому кажется, что все привычные вещи можно в принципе разложить на части – «разобрать на атомы» в качестве программы-максимум. Это верно, причем можно разобрать и сами атомы, и даже их ядра. Но почему же с протонами и нейтронами это не так? Почему в природе не наблюдаются третьи доли от заряда протона? Попробуем вырвать один кварк из протона – скажем, отбирая на ускорителе те случаи, когда при столкновении двух протонов «особенно сильно достается» одному из кварков: он получает столько энергии, что, казалось бы, может вылететь прочь из протона. Но по мере увеличения расстояния между кварками сила притяжения между ними возрастает, а вместе с ней растет энергия их связи, достигая величины 2mc2, где m – масса кварка. Эта энергия принимает вид пары «кварк – антикварк», и родившийся таким образом антикварк составляет компанию тому кварку, который «почти» вырвался из протона; они улетают вместе, образовав комбинацию с непременно целочисленным электрическим зарядом. А родившийся в паре кварк заменяет собой того, который улетел, и «голого» дробного заряда снова не образуется. Если на попытку «разрушения» была затрачена большая энергия, то по сторонам может разлететься много комбинаций, составленных из кварков и антикварков, но ни одна из них не будет иметь дробного электрического заряда.
В общепринятом варианте колода F-карт имеет вид, приведенный
