Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Рис. В.3. Фермионы, входящие в Стандартную модель элементарных частиц. Числа слева вверху указывают электрический заряд. Обозначения: u – up-кварк, d – down-кварк, e – электрон, νe – электронное нейтрино, c – charm-кварк, s – strange-кварк, μ – мюон, νμ – мюонное нейтрино, t – top-кварк, b – bottom-кварк, τ – тау-лептон, ντ – тау-нейтрино
Все частицы из колоды F – фермионы, т. е. ненавистники себе подобных в силу принципа Паули: две одинаковые частицы из этого класса не могут находиться в одном и том же состоянии. Это условие первостепенно важно для того, чтобы из них можно было складывать мир: в случае взаимного притяжения одинаковые фермионы не громоздятся все в одном состоянии «друг на друге», а вынуждены образовывать какие-то более интересные конфигурации. Собрание нечетного числа фермионов – снова фермион; таковы протон и нейтрон, из которых сложены все атомные ядра.
Я обещал еще сказать про «крапленые» карты – те, которые не так просты, как кажутся. Каждый из кварков – это на самом деле одна из трех частиц, одинаковых во всем, кроме еще одного свойства, до сих пор не упоминавшегося. Это свойство, как и все другие, тоже представлено числом; оно выражает заряд по отношению к сильному ядерному взаимодействию, т. е. степень участия в этом взаимодействии. Дело здесь организовано несколько интереснее, чем в случае электромагнитного взаимодействия, где есть заряды только двух типов, положительные и отрицательные, а нейтральность – отсутствие заряда – достигается собранием положительных и отрицательных зарядов в равном количестве. В случае сильного взаимодействия имеется три пары зарядов, и в каждой паре есть свои «плюс» и «минус». Эти плюс и минус могут составить нейтральное образование описанным выше способом – собравшись в равном числе, но это работает только в пределах одной пары, а плюс из одной пары и минус из другой не дают в сумме нулевой заряд. Тем не менее между тремя парами зарядов все же имеется связь! Она состоит в том, что, взяв по плюсу из каждой пары, мы получаем нулевой заряд. Это непривычно и заслуживает комментариев.
Прежде всего, «плюс» и «минус» – неудобные обозначения: как минимум необходимо дополнительно указывать номер пары, вроде +1, +2, +3 и аналогично с минусами. Никто так и не делает, а вместо этого три разных плюса называют «красный», «зеленый» и «синий», а слово «плюс» опускают. Отвечающие им минусы тогда получают названия «антикрасный», «антизеленый» и «антисиний». Это, разумеется, названия – у элементарных частиц никакого цвета не бывает. Тем не менее я не буду брать слово «цвет» в кавычки, которых и так уже много, и предлагаю просто помнить, что цвет – это указание на тип заряда по отношению к сильному ядерному взаимодействию. В природе таких типов зарядов оказалось три, причем (последний раз с кавычками) одна единица «красного» заряда, одна единица «зеленого» заряда и одна единица «синего» заряда вместе составляют нулевой заряд (отсутствие заряда). Даже не знаю, как были бы устроены электросети, если бы что-то похожее имело место для электрических зарядов.
Правило (закон природы, относящийся к зарядам сильного взаимодействия)
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,
