Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Большинство физиков обладают непоколебимой верой в основную простоту природы — это один из самых эффективных руководящих принципов. Много раз, снова и снова, эта слепая вера оправдывала себя. Многие эксцентричные явления природы получили объяснение. Что может быть более различным, чем магнетизм, электричество и свет? И тем не менее, в девятнадцатом веке Джеймс Клерк Максвелл показал, что все это лишь различные проявления одних и тех же фундаментальных законов. Все эти проявления, равно как и радиоволны, радиолокатор и лучистое тепло, он описал с помощью уникальной и изящной системы уравнений. Электромагнетизм Максвелла — это действующая сила, которая управляет всем, что мы видим, слышим, обоняем, чувствуем или пробуем.
Альберт Эйнштейн тщетно искал конечную простоту, с помощью которой все силы природы можно было бы описать в одной теории. Он 266
Великое объединение
пытался объединить электромагнетизм с гравитацией. Мы по-прежнему ищем такую объединенную теорию, но сейчас нам известны некоторые причины неудачи Эйнштейна. В небесах и на Земле попросту существует больше сил, чем предполагала философия Эйнштейна. Он не хотел даже думать о том, что в то время было непроницаемой тайной атомного ядра. «Все это станет не более чем пустой болтовней, — должно быть, считал он, — если только удастся объединить гравитацию и электромагнетизм».
Атомное ядро больше не является такой уж тайной, но мы узнали, что для объяснения его поведения необходимы две дополнительные силы, или взаимодействия. Корректная объединенная теория должна включать описание сильного и слабого ядерных взаимодействий, которые отвечают за удержание ядерных составляющих вместе и позволяют радиоактивное превращение одного химического элемента в другой. Эйнштейн сделал еще одну критическую ошибку. Он так и не принял квантовую теорию, одним из косвенных создателей которой был он сам. «Бог не играет в кости», — сказал Эйнштейн. Однако теперь мы убеждены, что это не так.
Современный подход к построению объединенной теории зависит от двух фундаментальных систем: специальной теории относительности Эйнштейна и квантовой механики. Это два грандиозных революционных догмата физики начала двадцатого века. Ни одно достижение физики прошлой половины века не сравнится с этими великими теориями. Синтез данных дисциплин называется «квантовой теорией поля», в эзотерическом контексте которой выражается вся физика элементарных частиц.
Первая успешная квантовая теория поля называется квантовой электродинамикой, или КЭД, и описывает взаимодействие электронов и фотонов (или световых частиц). Она не является законченной теорией физики элементарных частиц, так как не описывает структуру атомного ядра. Тем не менее, эта теория дает чрезвычайно точное и лаконичное описание некоторых явлений. Например, в рамках этой теории магнитные свойства электрона описываются с точностью до 10 десятичных разрядов — сейчас это предел экспериментальной точности. КЭД обычно считают парадигмой более полной теории, которая может включать описание сильного и слабого взаимодействий.
С вашего позволения, я перейду к сильным взаимодействиям. Известно, что атомное ядро образовано более элементарными частицами, которые называются нуклонами. Существует два вида нуклонов: протоны, которые являются ядрами простейших атомов, например, водорода, и нейтроны, которые являются нестабильными частицами, способными, однако, выживать, находясь в ядре. Протон несет электрический заряд, который численно в точности равен заряду электрона, но имеет про- 267 Великое объединение
тивоположный знак. Противоположные заряды притягиваются. Так что протон объединяется с электроном, образуя атом водорода. Нейтрон, как и атом водорода, электрически нейтрален. Нейтроны и протоны очень малы по сравнению с атомами, в образовании которых они участвуют. Когда-то считалось, что они являются действительно точечными элементарными частицами. Все полагали, что именно протоны, нейтроны и электроны — это основные кирпичики, образующие материю.
Однако все это изменилось. Сейчас мы знаем, что нуклон — это сложная система, образованная тремя кварками. Именно кварки сейчас кажутся основными составляющими ядерной материи. Два вида кварков, называемые «ир» (верхний, и-кварк) и «down» (нижний, d-кварк), необходимы для создания нуклонов. Электрические заряды кварков являются долями заряда электрона, обыкновенно принимаемого за «единичный заряд»: и-кварки несут 2/3 единицы заряда, а <і-кварки--1/3. Протон —
это сложная система, содержащая два u-кварка и один d-кварк; нейтрон образован двумя d-кварками и одним м-кварком. Частицы, содержащие три и-кварка или три d-кварка, живут очень мало, но, тем не менее, были обнаружены в лабораторных условиях.
Фундаментальное взаимодействие кварков, связывающее их в группы по три для образования нуклонов, известно под названием квантовой хромодинамики, или КХД. Хотя КХД и КЭД описывают весьма различные виды взаимодействия, между ними существует глубокая аналогия. И та, и другая являются квантовыми теориями поля и относятся к разряду «калибровочных теорий». КЭД приводит к взаимодействиям между заряженными частицами типа электронов и ядер; именно КЭД связывает их воедино для образования атомов. Аналогичным образом, КХД приводит к взаимодействиям, удерживающим кварки вместе для образования нуклонов. Величина, аналогичная электрическому заряду в КЭД, в КХД называется «цветом». Кварки имеют цвет. Точнее, каждый «аромат» кварка (и или d) имеет три цвета (скажем, красный, зеленый и синий). Однако нуклоны «бесцветны». Они содержат по одному кварку каждого цвета. Если эти неопределенные фразы перевести на точный язык математики, мы узнаем, почем именно три частицы — а не две или четыре — могут соединиться и образовать наблюдаемую частицу. Мы также понимаем, почему нельзя получить свободный кварк, то есть такой, который существует сам по себе. Кварк имеет цвет, а в качестве изолированных частиц могут существовать только бесцветные системы. Кварки существуют, но только как составляющие образованных ими частиц.
