Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Так начался поиск объединенной теории всех сил, действию которых подвержена материя. Альберт Эйнштейн знал лишь две фундаментальные силы. Гравитация удерживает планеты на их орбитах вокруг Солнца, а нас — на Земле. Электромагнетизм удерживает электроны на их орбитах вокруг ядра атома, что позволяет атомам объединяться в молекулы и, в конечном итоге, объясняет, почему мы не проваливаемся сквозь землю. Эйнштейн попытался, но безуспешно, построить объединенную теорию двух этих сил. Одна из причин его неудачи состояла в том, что в действительности в небесах и на Земле сил больше, чем предполагала философия Эйнштейна.
Мы узнали, что для объяснения поведения атомного ядра необходимы еще две дополнительные силы. Эти маленькие и тяжелые ядра, находящиеся внутри атомов, образованы еще более мелкими составляющими, называемыми нейтронами и протонами. Все эти частицы на своих местах удерживает сильное ядерное взаимодействие, вследствие чего образуется ядро. При некоторой разновидности радиоактивности, бета-распаде, нейтрон внутри ядра испускает две частицы (электрон и антинейтрино) и превращается в протон. Этот процесс с помощью четвертой силы, лежащей в основе слабого ядерного взаимодействия, интерпретировал Энрико Ферми.
Воистину объединенная теория объяснила бы все четыре силы. Этот амбициозный проект еще не осуществлен. Пока что разрабатывается На пути к объединенной теории поля
275
объединенная теория сильных, слабых и электромагнитных сил: всех, за исключением гравитации. Эти три фундаментальные силы микромира описывает то, что физики называют калибровочной теорией, в которой основными являются частицы двух видов, называемые силовыми частицами и материальными частицами. Сложные физические явления проистекают из повторения первичного акта становления — испускания или поглощения силовой частицы материальной. Например, одна материальная частица может испустить силовую, которая затем поглощается второй материальной частицей. В результате этого обмена между двумя материальными частицами создается сила.
Фотоны — это силовые частицы, переносящие электромагнитное взаимодействие. Сила, действующая между электроном и его ядром, создается при обмене фотонами. Фотоны — наблюдаемые частицы: мы их видим постоянно как свет.
Силовые частицы, отвечающие за слабые взаимодействия, известны как W^ и Z0. В отличие от фотона, это очень тяжелые частицы; они, согласно теории, почти в 100 раз тяжелее протона. Ни один из существующих ускорителей частиц недостаточно велик, чтобы создать такие частицы. Мы делаем вывод об их существовании косвенным путем. При столкновении нейтрино с нейтроном иногда происходит обмен W. Тогда нейтрино превращается в электрон, а нейтрон — в протон. Другой вариант этого же механизма приводит к хорошо изученному процессу ядерного бета-распада. ^°-частица переносит класс слабых явлений, которые впервые наблюдались европейской коллаборацией в CERN в 1973 году. Частично объединенная теория слабых и электромагнитных взаимодействий, сформулированная в шестидесятые годы двадцатого века, успешно предсказала существование нейтральных токов и заслужила Нобелевскую премию по физике в 1979 году для Абдуса Салама, Стивена Вайнберга и автора. Конечной проверкой теории электрослабых взаимодействий будет создание и наблюдение ^°-частицы в лаборатории. Ускорители, с помощью которых этого можно будет добиться, сейчас строятся в Европе, Соединенных Штатах и Советском Союзе. Коллай-дер, находящийся в CERN (Женева, Швейцария), стал первой из этих великих новых машин, которые еще предстоит построить.
Считается, что сильные взаимодействия переносит третий класс частиц, называемых глюонами. Они во многом похожи на фотоны, но имеют два коренных отличия: существует восемь различных видов глюонов, но всего один вид фотона. Более того, сильное взаимодействие (как и предполагает его название) гораздо сильнее электромагнитного. Вследствие этого глюоны постоянно удерживаются внутри ядерных частиц. Вы можете создать фотонную вспышку, но никогда не сможете добиться глюонной. 276
На пути к объединенной теории поля 276
Таким образом, существует 12 различных видов силовых частиц: восемь глюонов, один фотон, W^ и Z0. Мы также должны знать, что представляют собой различные виды материальных частиц. Некоторые из них вовлечены в сильные взаимодействия. Они могут испускать и поглощать глюоны. Эти материальные частицы называются кварками. Материальные частицы, не подверженные сильным взаимодействиям, называются лептонами.
Сегодня физики считают, что в природе существует шесть различных типов кварков. Два из них, называемые и- и d-кварками, являются элементарными составляющими атомных ядер. Протоны и нейтроны, образующие ядра, в действительности не являются элементарными частицами. Они состоят из кварков. Протон образован двумя и-кварками и одним е?-кварком, которые удерживаются на своих местах глюонами, а нейтрон содержит два d-кварка и один и-кварк. Следовательно, кварки переносят электрический заряд Q, являющийся дробной частью заряда протона. Для н-кварков Q = 2/3, а для d-кварков Q = —1/3.
