КЭД - странная теория света и вещества - Ричард Фейнман

Мы уже знаем, что электрон может взаимодействовать с W-бозоном (см. рис. 85). При превращении d-кварка в u-кварк с испусканием W-бозона может ли W-бозон взаимодействовать с мюоном вместо электрона? Да (см. рис. 90). А антинейтрино? Если W-бозон взаимодействует с мюоном, частица, которая называется мюонным нейтрино, занимает место обычного нейтрино (которое мы теперь будем называть электронным нейтрино). Поэтому теперь в нашей таблице частиц вслед за электроном и нейтрино появляются две дополнительные частицы: мюон и мюонное нейтрино.

А кварки? Уже очень давно известны частицы, которые должны состоять из более тяжелых кварков, чем u и d. Поэтому в список фундаментальных частиц был включен третий кварк, названный s-кварком (от strange – странный). Масса s-кварка равна примерно 200 МэВ (сравните с 10 МэВ в случае и– и d-кварков).

Много лет мы считали, что у кварков есть только три «аромата» – и, d и s, но в 1974 г. была открыта новая частица, названная пси-мезоном, которую не удалось составить из этих трех кварков. Имелся очень хороший теоретический аргумент, что должен существовать четвертый кварк, взаимодействующий с s-кварком при участии W-бозона так же, как u-кварк взаимодействует с d-кварком (см. рис. 91). «Аромат» этого кварка называется с, и у меня не хватит смелости объяснить, что означает с, но, возможно, вы читали об этом[32]. Названия становятся все хуже и хуже!

Рис. 91. Природа как бы повторяет частицы со спином 1/2. Кроме мюона и мю-нейтрино, имеются два новых кварка – s и e – с такими же зарядами, но массами большими, чем у их двойников в следующем столбце.

Рис. 92. Итак, продолжаем! При еще более высоких энергиях началось новое повторение частиц со спином 1/2. Оно станет полным, если будет открыта частица со свойствами, означающими существование кварка нового аромата. Тем временем ведется подготовка к поискам нового повторения при еще более высоких энергиях. Что вызывает эти повторения – совершенно неизвестно.

Это появление частиц с повторяющимися свойствами, но с возрастающими массами – совершенно таинственно. Что значит это странное дублирование образцов? Как сказал профессор Исидор Раби, когда был открыт мюон: «Кто заказал это?»

В последнее время началось новое повторение списка. По мере перехода ко все более высоким энергиям начинает казаться, что Природа продолжает нагромождать эти частицы как бы с целью нас одурманить. Я должен рассказать вам о них, так как я хочу, чтобы вы увидели, каким сложным в действительности выглядит мир. Я ввел бы вас в заблуждение, создав впечатление, что если 99 % явлений в мире можно объяснить при помощи электронов и фотонов, то оставшийся 1 % явлений потребует только 1 % дополнительных частиц! На самом деле чтобы объяснить этот оставшийся 1 %, нам потребуется в десять или в двадцать раз больше дополнительных частиц.

Итак, продолжаем: при экспериментах с еще большими энергиями был обнаружен еще более тяжелый электрон, названный «тау», с массой порядка 1800 МэВ, как у двух протонов! Было сделано предположение о существовании тау-нейтрино. Кроме того, была обнаружена забавная частица, предполагающая существование кварка нового «аромата» – на сей раз это b-кварк (от beauty – прелесть), его заряд равен –⅓ (см. рис. 92). Теперь я предлагаю вам стать на мгновение первоклассными физиками-теоретиками и сделать одно предсказание: будет открыт новый аромат кварков, называемый___-кварком (от «___»), с зарядом ___и массой___МэВ, – мы, конечно, надеемся, что он действительно есть![33]

Тем временем ставятся эксперименты с целью посмотреть, не повторится ли цикл еще раз. В настоящее время построены машины для поисков еще более тяжелого электрона, чем тау. Если масса предполагаемой частицы равна 100 000 МэВ, они не смогут ее создать. Если порядка 40 000 МэВ, такая частица может быть создана.

Тайны, вроде этих повторяющихся циклов, делают работу физика-теоретика очень интересной: Природа задает нам такие чудесные загадки! Почему она повторяет электрон частицами, массы которых в 206 и 3640 раз больше?

Мне хотелось бы сделать одно последнее замечание, чтобы совершенно покончить с частицами. Когда, взаимодействуя с W-бозоном, d-кварк переходит в w-кварк, он может также с небольшой амплитудой перейти вместо этого в с-кварк. Когда w-кварк переходит в d-кварк, он может также с малой амплитудой перейти в s-кварк и с еще меньшей амплитудой перейти в b-кварк (см. рис. 93). Поэтому W-бозон немного все перекашивает и позволяет кваркам переходить из одного столбца таблицы в другой. Почему возникают в такой пропорции амплитуды перехода в другие типы кварков, совершенно неизвестно.

Вот и все, что касается остальной квантовой физики. Это чудовищная неразбериха, и вы можете сказать, что физика безнадежно запуталась. Но так казалось всегда. Природа всегда казалась безнадежно запутанной, но, продвигаясь вперед, мы различаем закономерности и сводим теории воедино; возникает какая-то ясность и все становится проще. Неразбериха, которую я вам сейчас продемонстрировал, значительно меньше, чем та, что была десять лет назад, когда мне пришлось бы рассказывать вам о четырехстах с лишним частицах. А подумайте о неразберихе в начале этого века, когда независимо существовали тепло, магнетизм, электричество, свет, рентгеновское и ультрафиолетовое излучения, показатели преломления, коэффициенты отражения и другие свойства различных веществ, которые мы с тех пор объединили в одну теорию – квантовую электродинамику.

Рис. 93. У d-кварка имеется небольшая амплитуда превращения вместо u-кварка в с-кварк, и у s-кварка имеется небольшая амплитуда превращения вместо с-кварка в w-кварк, причем в обоих случаях будет испускаться W-бозон. Мы видим, что W-бозон способен менять кварковый аромат из одного столбца таблицы в другой (см. рис. 92).

Я хотел бы подчеркнуть одно обстоятельство. Теории, посвященные остальной физике, очень похожи на квантовую электродинамику: все они описывают взаимодействие объектов со спином ½ (вроде электронов и кварков) с объектами, имеющими спин 1 (вроде фотонов, глюонов и W-бозонов), в рамках концепции амплитуд, согласно которой вероятность события равна квадрату длины стрелки. Почему все физические теории имеют столь сходную структуру?