Простая сложная Вселенная - Кристоф Гальфар

Поэтому жизнь для трех заключенных внутри протона кварков довольно ограничена, являясь практически тюрьмой.

А их виртуальные тюремщики, переносчики сильных взаимодействий? Кто они? Какие они? Они не фотоны, это точно. Они не являются частью электромагнитного поля, помните: они – выражение абсолютно другого поля, квантового поля сильного взаимодействия.

И они настолько эффективны в работе по склеиванию кварков вместе, что их прозвали глюонами.

Кварки и глюоны.

Они составляют все протоны нашей Вселенной.

Теперь нечто странное об этой самой крошечной из тюрем, в которую ваша мини-копия нанесла визит: большинство из нас свято верит, что если оказаться за решеткой, будучи человеком, то свобода означает очутиться от камеры и ее стражей так далеко, насколько возможно. А вот для удерживаемых в протонах кварков, преступники они или нет, все наоборот. Для них свобода заключается в близком расстоянии. Чем больше они сближаются, тем свободнее могут делать все, что заблагорассудится. Свобода кварков – действительно очень странное понятие: мир возможностей открывается им, как только они становятся ближе друг к другу.

За открытие этого своеобразного типа свободы трое американских ученых, Дэвид Гросс, Фрэнк Вильчек и Дэвид Полицер, получили в 2004 году Нобелевскую премию по физике. Действительно трудная для понимания концепция. Настолько тяжелая, что когда я встретил Дэвида Гросса и Фрэнка Вильчека в Кембридже за пару лет до получения премии, то, помню, поинтересовался, не должен ли я попросить их вернуть мне деньги, потраченные на таблетки против головной боли, заработанной в попытках понять их работу.

Кварки и глюоны.

Элементарные частицы – кварки, созданные из самих себя.

И глюоны.

Переносчики самой мощной известной нам силы – сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки вместе, позволяя им быть свободными, только когда они близки друг к другу, гарантируя, таким образом, что составляющая нас материя не разорвется на кусочки.

Кварки и глюоны.

Действительно странные имена, используемые для описания сущности реальности, такой далекой от нашей повседневной жизни, что она вполне может показаться весьма незначительной. Однако сильное взаимодействие с его кварками и глюонами вовлекает в себя около 99,97 % составляющей наши тела массы. Если бы человек весом 60 килограммов сию минуту потерял все свои кварки и связывающие их глюоны, то он или она мгновенно похудел бы до веса 18 граммов. И очевидно бы умер.

Чтобы понять, что узнало человечество до сих пор о нашей реальности, или даже выяснить, из чего она состоит, кварки и глюоны весьма необходимы. И это, кажется мне, довольно веская причина их изучать. Несмотря на то что они в скором времени позволят нам вернуться назад в прошлое примерно через секунду после зарождения пространства и времени.

Итак, как мы уже упомянули, поле, к которому относятся эти новые частицы, называется полем сильного взаимодействия или сильным полем. Это, конечно же, квантовое поле, так как большая часть странного квантового поведения обнаруживалась ранее при участии электронов и света – исчезновение и появление где-нибудь в другом месте или, например, туннелирование здесь не применимо. Но, что важно подчеркнуть, хотя поле сильного взаимодействия – не то же самое, что электромагнитное поле, тем не менее оно также заполняет всю Вселенную. Это еще одно море, если хотите, чьи капли – кварки и глюоны, а не электроны и фотоны. И ничто не мешает частицам принадлежать обоим полям: электрически заряженные кварки принадлежат электромагнитному полю так же, как полю сильного взаимодействия. Они могут взаимодействовать с переносчиками взаимодействий каждого из полей: с помощью света и глюонов. Но на коротких расстояниях глюоны гораздо мощнее света.

Итак, а что насчет нового моря? Каковы его фундаментальные частицы?

Поле сильного взаимодействия имеет шесть типов частиц, шесть различных сортов кварков, которые могут выскочить из него в любое время, в любом месте, если имеется достаточное количество энергии. Хотя только два типа из них находятся в ядре атома. Это так называемые верхний и нижний кварки, В каждом протоне Вселенной есть два верхних кварка и один нижний, так что было бы справедливым сказать, что у протонов больше подъемов, чем спусков, что, возможно, объясняет, почему они счастливы в своей субатомной тюрьме.

Но протоны – не единственные существующие кварковые тюрьмы, как вы теперь увидите внутри вашего атома золота.

Уставшая от водорода мини-копия выпрыгивает из него на кухонный стол, где вы разрезали свое сокровище на кусочки.

Атом золота все еще там – вы ныряете в него.

Скрытое глубоко под 79 вертящимися вокруг него электронами ядро гораздо больше атома водорода. Для уравновешивания заряда 79 электронов имеется 79 протонов. Но здесь также есть и другие нечеткие сферы, окружающие – отделяющие? – эти протоны. Незаряженные сферы. Вы можете насчитать 118 из них.

Будучи электрически нейтральными, они называются нейтронами. Они тоже являются кварковыми тюрьмами, обнаруженными английским физиком, сэром Джеймсом Чедвиком, оказавшимся помощником выдающегося ученого Резерфорда.[37] В 1935 году Чедвик получил за свое открытие Нобелевскую премию по физике.

Внутри каждого протона глюоны удерживают два верхних кварка и один нижний. Верхних – большинство. В нейтронах наоборот: нижние ведут – два к одному.

Итак, каким образом складываются все эти тюрьмы для образования атомного ядра? Почему они не отодвигаются друг от друга? Или не сталкиваются? В конце концов, все протоны положительно заряжены. Они должны отталкиваться.

Но этого не происходит. Почему? Потому что сильное поле и его переносчики не позволяют им так делать, хоть и очень странным образом. Остаточным путем.

Чтобы выяснить, что это значит, мини-копия принимает смелое решение внимательно следить за неуловимыми глюонами, сторожащими кварки внутри протона. Вот они. Вы не в состоянии их видеть, но можете ощутить по методике йогов. Они появляются и исчезают, чтобы удержать кварки от самостоятельных прогулок.

Но вдруг происходит нечто очень странное.

Что-то вылетело. Выскочило из протона. Но что? Глюон? Почему бы и нет, в конце концов? Они же стражи, а не пленники…

Но нет, это не глюон.

Нечто не похожее на него, в любом случае.

Вы заостряете йоговское восприятие… и вот, пожалуйста.

Получается, что глюоны вообще не ходят поодиночке. Они должны найти другой глюон. Друга. Объединившись с нужным напарником, они превращаются в нечто другое.