Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил - Фрэнк Вильчек

Третьим крупным игроком в Центральной теории является слабое взаимодействие. Его роль в природе менее заметна, но также крайне важна. Слабое взаимодействие отвечает за алхимию. Точнее, оно превращает кварки различных ароматов друг в друга, а также превращает друг в друга различные виды лептонов. На рис. 17.1 слабое взаимодействие производит преобразования в вертикальном направлении. (Сильное взаимодействие производит преобразования в горизонтальном направлении.) При изменении одного из u-кварков в протоне на d-кварк протон превращается в нейтрон. Таким образом, изменения, вызванные слабым взаимодействием, преобразуют атомное ядро одного элемента в атомное ядро другого. Реакции, основанные на «алхимии» слабого взаимодействия (более «важным» названием которой является «ядерная химия»), могут сопровождаться высвобождением гораздо большей энергии, чем у обычных химических реакций. Звезды живут на энергии, получаемой в результате систематического преобразования протонов в нейтроны.

Прежде чем углубляться в детали устройства ядра Центральной теории (сильного, электромагнитного и слабого взаимодействий), я сделаю несколько замечаний о том, что (на время!) придется обойти вниманием, — о гравитации и массе нейтрино.

• Как мы уже обсуждали, кажущаяся слабость гравитации, вероятно, больше связана с нашим восприятием, чем с собственно гравитацией. И, как мы увидим в следующих нескольких главах, Природа побуждает нас включать гравитацию вместе с другими видами взаимодействий в качестве равноправного партнера, участвующего в объединении.

На практике нет никаких трудностей для включения гравитационных взаимодействий в Центральную теорию. Для этого существует уникальный и простой способ, и он работает. (Для экспертов: примените действие Эйнштейна — Гильберта к метрическому полю, минимизируйте взаимодействие материальных полей и сделайте квантование в плоском пространстве.) В своей повседневной работе астрофизики постоянно используют общую теорию относительности наряду с остальными компонентами Центральной теории, и вполне успешно. Это касается и тех, кто использует GPS.

Короче говоря, обычная практика отделения гравитации от других составляющих Центральной теории является удобной, но, вероятно, поверхностной.

• То, что нейтрино обладает ненулевой массой, было установлено в 1998 году, однако намеки на это появились еще в 1960-е годы. Значения масс нейтрино очень малы. Масса самого тяжелого из трех типов нейтрино не превышает одной миллионной массы следующей легчайшей из известных нам частиц — электрона. Нейтрино известны своей неуловимостью и призрачностью. Около 50 триллионов этих частиц ежесекундно проходят сквозь тело каждого из нас, но мы этого не замечаем. Джон Апдайк написал о нейтрино стихотворение, которое начинается такими словами:

Нейтрино, крохотные тени,

Отринув массу и заряд,

Не признают закон общений,

Взаимодействий и преград.

Они по всей Вселенной шарят,

Не поступаясь прямизной.

Для них — пустой надутый шарик

Трилльоннотонный шар земной[49].

Благодаря героическим усилиям экспериментаторы смогли довольно подробно изучить свойства нейтрино[50].

Центральная теория прекрасно уживается с идеей о нулевой массе нейтрино, которая очень естественно встраивается в ее структуру. Для учета ненулевых масс нейтрино мы должны добавить новые частицы с необычными свойствами, для которых нет никакой другой мотивации или доказательств. Когда мы расширим Центральную теорию, чтобы получить единую теорию взаимодействий, все будет выглядеть совсем иначе. Тогда мы признаем новые частицы в качестве родственников — блудных детей, вернувшихся в семью. А их необычное поведение намекнет на их приключения в далеких краях.

Есть еще две сложности, которые я собираюсь приукрасить. Они представляют собой отклонения от моего главного сообщения, но не упомянуть о них было бы неправильно. Пожалуйста, не позволяйте этим поверхностным осложнениям отпугнуть вас. Признавая их существование, мы не позволим им исказить наше видение.

• Одной из сложностей являются массы и смешение калибровочных бозонов. В базовых уравнениях присутствует три симметричные группы калибровочных полей. Есть восемь цветных глюонных полей, с которыми вы уже познакомились. Еще три связаны с симметрией слабого взаимодействия. Они называются W+, W– и W0, и все они симметричны друг другу. Наконец, есть один изолированный калибровочный бозон B0 с «гиперзарядом». Сверхпроводимость Сетки придает ненулевые массы частицам, созданным W+ и W–, а также вполне определенной смеси W0 и B0. Возмущения в этой смеси производят массивные частицы, называемые Z-бозонами. Возмущения в другой комбинации W0 и B0 (для экспертов: ортогональная комбинация) остаются безмассовыми. Эта безмассовая комбинация W0 и B0 представляет собой фотон.

Подведем итог: c точки зрения математики симметрии поля W0 и B0 являются наиболее естественными. Однако возмущения с определенной массой, когда принимается во внимание сверхпроводимость Сетки, подразумевают смешение W0 и B0. Одним из типов возмущения является Z0-бозон с ненулевой массой; другим типом будет фотон с массой, равной нулю.

Иногда говорят, что Центральная теория объединяет электромагнетизм и слабое взаимодействие. Это вводит в заблуждение. По-прежнему существует два различных вида взаимодействия, связанных с различными видами симметрии. В Центральной теории они смешиваются, а не объединяются.

• Другую сложность представляют массы и смеси кварков и лептонов. Существует три различных «семейства». Таким образом, кроме самого легкого семейства, включающего u- и d-кварки, электрон е и электронное нейтриноe, существует два более тяжелых. Ко второму семейству относятся очарованный и странный кварки с и s, мюон μ и мюонное нейтриноμ. Наконец, третье семейство содержит истинный и прелестный кварки t и b, тау-лептон и тау-нейтрино.