Теория наносит ответный удар: объединение

Физики всегда стремились упрощать возникающие вопросы сочетанием различных теорий. На исходе XIX века Джеймс Клерк Максвелл осознал, что электричество и магнетизм выражают собой две стороны одного и того же явления, и это позволило объединить их, а само явление получило название электромагнетизма. В 1950-е годы американские физики Ричард Фейнман, Джулиус Швингер и японский физик Томонага Синъитиро соединили теорию электромагнетизма с квантовой механикой, создав квантовую электродинамику (КЭД). Согласно этой теории электроны взаимодействуют посредством обмена световыми фотонами. Сами фотоны наблюдать невозможно, поскольку электроны испускают и поглощают их в пределах, подпадающих под действие принципа неопределенности Гейзенберга. Из-за своей ненаблюдаемости они получили название виртуальных фотонов.

Когда в конце 1960-х опытным путем удалось выявить кварки, была выдвинута другая модель объединения, включающая два из четырех взаимодействий. Стив Вайнберг и Шелдон Глэшоу в Америке и пакистанский физик Абдус Салам в Триесте (Италия) независимо друг от друга выдвинули теорию, объединяющую электромагнитное и слабое взаимодействия в одно, электрослабое взаимодействие. Помимо объяснения уже наблюдавшихся явлений в более общей связи эта новая теория добавляла к списку имеющихся частиц предсказываемые новые: нейтральную, слабо взаимодействующую (ныне именуемую Z⁰), W⁺, W^- и тяжелую частицу, названную хиггсовой (подробнее см. далее).

В 1973 году была предложена еще одна теория: квантовая теория сильного взаимодействия, которую выдвинули Марри Гелл-Ман и немецкий физик Харальд Фритцш. Получившая название квантовой хромодинамики, эта теория походила на КЭД: и в той и в другой теории основные частицы, кварки, взаимодействовали в процессе обмена виртуальными (в пределах действия принципа неопределенности) частицами, именуемыми глюонами. А поскольку никто не видел глюона, требовалось подтверждение существования еще одной частицы.

Стандартная модель

К середине 1970-х все теоретические и опытные наработки слились в единую теорию, названную стандартной моделью. В ее основе лежат математические выкладки, не являющиеся предметом настоящей книги, так что не следует забывать, что модель опирается на мощный математический аппарат.

Основой стандартной модели стало представление, что кирпичиками Вселенной выступают поля, а не частицы. Первоначально поля понадобились для решения проблемы дальнодействия. Каким образом одно тело способно воздействовать на другое, если оба они находятся на некотором расстоянии друг от друга и между ними нет ничего материального? Ньютон ответил, что они воздействуют друг на друга посредством некой силы.

Для уяснения понятия поля нам следует пойти еще дальше в своих отвлеченных рассуждениях. Удалим одно тело. Теперь представим оставшееся, способное воздействовать на любое проходящее рядом тело. Это воздействие и составляет поле, проявляемое данным телом. При таком подходе поле есть возможность проявления силы. Например, поле тяготения часто изображается в виде стрелок, обращенных в сторону массы, как на рис. 2.2. Это вовсе не физические линии или стрелки в пространстве, а лишь указание на то, что любое, помещенное в любую точку тело будет ощущать действие некой силы в направлении, указанном стрелками.

Сходным образом линии электрического поля окружают заряд, а линии магнитного поля — магниты. Поскольку железные опилки обладают ярко выраженными магнитными свойствами, на помещаемых в учебниках картинках видно, как эти опилки распределяются вокруг полюсов магнита и делают как бы зримым само магнитное поле.

Вначале полю отводилось место сугубо понятийного средства, но ныне оно играет ключевую роль в физике. Согласно стандартной модели:

— исходными кирпичиками Вселенной являются поля,

— крошечные сгустки энергии (кварки или лептоны) проявляются при перенесении квантовых законов на поля,

— частицы взаимодействуют между собой посредством обмена другими сгустками энергии (бозонами), которые невозможно наблюдать ввиду ограничений, накладываемых принципом неопределенности.

Рис 2.2. Изображение силы тяготения

Итак, классическая картина дальнодействующих сил между частицами сменилась взаимодействием, обменом виртуальными сгустками энергии (прежде волнами) между квантованными жгутами энергии поля (прежде частицами). Здесь наблюдается полный разрыв с прежними представлениями.

Стандартная модель включает два вида взаимодействия: сильное и электрослабое.

1. Сильное взаимодействие: частицы, появляющиеся в соответствии с законами квантования ряда полей, называются кварками. Сегодня известно шесть кварков, (и связанных с ними антикварков), входящих в три семейства [или поколения], как показано на рис. 2.3. Вот их названия:

семейство 1: верхний и нижний;

семейство 2: очарованный и странный;

семейство 3: верхний и нижний.

Кварки взаимодействуют друг с другом через сильное взаимодействие, обмениваясь виртуальными частицами, именуемыми глюонами.

2. Электрослабое взаимодействие: частицы, появляющиеся в соответствии с законами квантования ряда полей, называются лептонами. Существует шесть лептонов (и связанных с ними антилептонов), входящих в три семейства, как показано на рис. 2.4.

Вот их названия:

семейство 1: электрон и электронное нейтрино;

семейство 2: мюон и мюонное нейтрино;

семейство 3: тау и тау-нейтрино.

Лептоны взаимодействуют, обмениваясь виртуальными частицами: фотоном, двумя W-бозонами и одним Z-бозоном.

На обобщенном рис. 2.5 представлены основные элементарные частицы и переносчики их взаимодействий.

В табл. 1 перечислены частицы с их спином, зарядом и массой. Поражает огромный разброс масс — но об этом речь пойдет далее.

Согласно стандартной модели здесь прослеживается механизм функционирования атома. Протоны и нейтроны удерживает в ядре обмен виртуальными глюонами между составляющими эти частицы кварками.

Рис. 2.5. Основные частицы

Связь электронов с протонами в ядре обеспечивается обменом виртуальными фотонами. Заметим, что три семейства кварков в точности соотносятся с тремя семействами лептонов. Вот только неизвестно, почему их ровно три. Первое семейство кварков и лептонов стабильно и составляет всю материю вокруг нас. Другие два семейства нестабильны, распадаясь через короткое время на более устойчивых собратьев. Если же говорить о возможности существования большего числа семейств кварков и лептонов, имеется два экспериментальных подтверждения, что таких семейств три. Одно подтверждение получено в 1998 году на усилителе при распаде нейтрального лямбда-гиперона [лямбда-ноль-гиперона] с образованием нейтрино, а другое — из астрономических наблюдений (подробнее см. след. параграф).

Все перечисленные частицы, за исключением глюона и фотона, обладают массой. Нулевая масса фотона обусловливает большую дальность электромагнитного взаимодействия, поскольку его переносчик может перемещаться со скоростью света. Слабое взаимодействие имеет значительно более короткий радиус действия ввиду большой массы его переносчиков, что не позволяет им двигаться столь же быстро, как фотоны. Все кварки и лептоны подчиняются ряду статистических правил, установленных Ферми и Дираком, и обобщенно именуются фермионами. Переносчики взаимодействия подчиняются другому ряду правил, выдвинутых индийским физиком Шатьендранатом Бозе и Эйнштейном, и называются бозонами. (См.: Список идей, 3. Фермионы и бозоны.)

Таблица 1 Основные частицы и их массы

 

Частицы	Приблизительная масса, ГэВ*
Фермионы
Верхний кварк	5 х10^-3
Нижний кварк	9 x10^-3
Электрон	0,51 х10^-3
Электронное нейтрино	< 7,2 x 10^-9
Очарованный кварк	1,35
Странный кварк	0,175
Мюон	0,106
Мюонное нейтрино	< 2,7 х 10^-4
Истинный кварк
Красивый кварк	4,5
Тау	1,78
Тау-нейтрино	< 3 x 10^-2
Бозоны
Фотон
W^+w W-	80,2
Z	91,2
Глюон
Хиггса частица (нет пока опытного подтверждения)	63-800

* Масса дается в единицах энергии, ГВт, равных миллиардам электрон-вольт согласно эйнштейновской формуле эквивалентности массы и энергии, Е = тс².

Проверка стандартной модели

Стандартная модель впервые предложена в 1974 году. В ту пору еще не было открыто семь предсказанных ею частиц. В последующие 20 лет благодаря проведению опытов на более мощных ускорителях все они были открыты, за исключением бозона Хиггса.

Помимо наблюдений самих частиц опытным путем проверялись многие свойства частиц, предсказанные стандартной моделью. В результате выяснилось, что предсказанные и экспериментально полученные данные прекрасно согласовывались друг с другом. Примером может служить лэмбовский сдвиг. В 1947 году американский физик Уиллис Лэмб измерил частотный сдвиг в излучении, поглощаемом или испускаемом при переходе атома водорода из одного энергетического состояния в другое с вырожденными энергетическими уровнями. Значительно позже стандартная модель дала для частоты излучаемого при этом переходе света величину 1057,860+/-0,009 МГц, тогда как измеренное Лэмбом значение равнялось 1057,65 +/--0,009 МГц. Обе величины различаются всего на '/_{100 000}. С учетом погрешности оказалось, что предсказанное и полученное значения фактически совпали. Такое удивительное соответствие теории эксперимента наблюдалось во многих случаях, что служило еще большим подтверждением верности данной модели.

Поиск более тяжелых частиц требовал и более мощных ускорителей, а по экономическим соображениям физика нуждалась не в столь затратном средстве изысканий. Подобно Карлу Андерсону, воспользовавшемуся природными космическими лучами в качестве источника частиц высокой энергии, физики принялись за поиски природных явлений с участием частиц, предсказанных стандартной моделью. Единственный период, когда могли существовать такие частицы, приходился на первые мгновения «большого взрыва», когда вещество и энергия заполняли Вселенную. В первые моменты вспышки после «большого взрыва» ощущались невиданный жар и плотность. Наличествовали все семейства элементарных частиц, так что первые мгновения «большого взрыва» были как бы огромной лабораторией для проверки стандартной модели. И несмотря на недоступность того события, можно делать предсказания о существующих ныне условиях и сравнивать их с опытными данными.

Астрофизик Дэвид Шрамм часто повторял слова советского физика Якова Зельдовича: «Вселенная — ускоритель для бедных. Эксперименты не нуждаются в финансировании, от нас требуется лишь сбор опытных данных и верное их толкование». Например, если существует четыре семейства элементарных частиц, количество гелия, образованного в первые минуты после «большого взрыва», должно составлять свыше 26% [вещества] нынешней Вселенной. Три же семейства элементарных частиц привели бы к созданию лишь 25% гелия. А поскольку выявлено именно такое количество гелия, ограничение стандартной модели тремя семействами кварков и лептонов находит тем самым убедительное опытное подтверждение.

Совместная работа физиков высоких энергий и астрофизиков в изучении первых мгновений после «большого взрыва» приводит к многим полезным результатам. Например, сочетая по-разному три фундаментальных физических постоянных (постоянную Планка, скорость света и постоянную тяготения), мы получаем минимальные значения таких основополагающих величин, как время, масса и энергия. Они называются планковскими масштабами (или размерностями):

время: 10^-43 с, длина: 10^-35 м, энергия: 10 ⁹Дж.

Если энергию Планка сосредоточить в объеме куба со стороной, равной длине Планка, то эквивалентная масса (Е = тc²) в этом крохотном пространстве была бы столь плотной, что свет не мог бы его покинуть, оказавшись отрезанным от остальной Вселенной, — черная дыра. Таким образом, расстояния меньше планковской длины теряют смысл, так что ниже этого уровня пространство и время предстают «квантовой пеной», где уже не действуют никакие физические законы.

Исходя из планковских масштабов, можно представить возможную картину начала Вселенной. Субмикроскопическая квантовая флуктуация проходит стадию раздувания с очень быстрым расширением, когда по мере падения температуры происходит «вымораживание» четырех основных взаимодействий, подобно тому, как жидкая вода превращается в лед. Если взаимодействие с полями Хиггса определяет массу частиц, эта величина может принимать совершенно случайное значение, в зависимости от того, как идет остывание. При таком повороте событий возможно возникновение различных вселенных со слегка различающимися значениями масс элементарных частиц.