Квант. Путеводитель для запутавшихся - Джим Аль-Халили

Чтобы увидеть это, давайте представим потенциальную электрическую энергию, ощущаемую электроном, в качестве холмистой местности, где долины символизируют притяжение, так как электрон будет скатываться в них, а холмы – отталкивание, так как, если поместить электрон на вершину одного из них, он тотчас скатится вниз. Если изменить ландшафт в одном месте, скажем превратив долину в холм, то калибровочная симметрия велит электрону вести себя точно так же, как он вел бы себя до изменений, то есть подкатиться к холму. Но для этого электрону необходимо компенсирующее изменение потенциальной магнитной энергии. Теорию электромагнетизма называют калибровочной теорией с локальной симметрией.

Оказывается, КЭД тоже обладает этим свойством. На самом деле было открыто, что квантовая теория поля, описывающая любую из четырех сил природы, должна обладать такой калибровочной симметрией. Это дало физикам надежду, что силы, возможно, каким-то образом связаны друг с другом.

Понимаю, все это кажется довольно сложным, но я упомянул об этом не без причины. Важна здесь идея «нарушения» симметрии. Чистый лист бумаги под некоторыми углами симметричен: он одинаково выглядит с обеих сторон и вверх ногами. Но как только вы начинаете на нем писать, симметрия пропадает, или нарушается.

В течение 1960-х годов физики использовали аргумент симметрии, чтобы расширить КЭД и включить в нее, помимо электромагнитной силы, слабое ядерное взаимодействие, которое отвечает за ядерный бета-распад. Было обнаружено, что при определенных условиях слабое ядерное взаимодействие тоже можно представить в форме обмена виртуальными частицами вроде фотонов. А если отдельные симметрии и нарушались, можно было снова прибегнуть к старому фокусу с перенормировкой, чтобы квантовая теория поля для слабого взаимодействия имела смысл. К концу 1960-х годов Стивен Вайнберг, Абдус Салам и Шелдон Глэшоу разработали расширенную теорию поля, которая объединила электромагнитную силу и слабое ядерное взаимодействие. Эта теория получила название «теории электрослабого взаимодействия».

Они объяснили, что при температуре выше миллиона миллиардов градусов, какая должна была наблюдаться на заре существования Вселенной, электромагнитная сила и слабое взаимодействие стали бы одной и той же силой. Но по мере остывания и расширения Вселенной определенная симметрия оказалась нарушена, из-за чего возникли две очень разные силы. Сегодня мы считаем, что слабое взаимодействие возникает в результате обмена частицами, обозначаемыми буквами «W» и «Z». Если точнее, они называются «слабыми векторными бозонами», но называть их W – и Z-бозонами гораздо проще.

Цветная сила

Как только было обнаружено, что идея калибровочной симметрии применима к квантовым теориям поля, прогресс в понимании таким образом сильного ядерного взаимодействия не заставил себя ждать. Само собой, Юкава проложил дорожку в этом направлении многими годами ранее, когда предложил свою теорию пиона – частицы, которую можно представить предметом обмена между нуклонами внутри ядра. Но как только было открыто, что нуклоны сами состоят из кварков, ученые поняли, что сила обмена тоже должна действовать на более глубоком уровне. Разработанная в итоге теория поля сильного ядерного взаимодействия стала называться «квантовой хромодинамикой», или КХД.

Задумайтесь, что на самом деле представляет собой электрический заряд. На фундаментальном уровне нам не остается ничего иного, кроме как сказать, что это свойство определенных элементарных частиц, для которого характерны два типа, называемые положительным и отрицательным. Частицы с противоположными типами заряда притягиваются друг к другу, а одинаково заряженные частицы отталкиваются. В принципе, мы могли бы назвать два заряда сладким и кислым. Частица со сладким зарядом в таком случае притягивалась бы к частице с кислым зарядом. В общем, идею вы поняли: положительность или отрицательность электрического заряда представляет собой лишь выдуманное понятие.

Для свойства подверженных сильному ядерному взаимодействию частиц тоже нужно было подобрать подходящее название, и поэтому их наделили «цветным» зарядом. Чтобы объяснить модель кварков, а именно наличие в каждом нуклоне именно трех кварков, должно было существовать три типа этого заряда сильного взаимодействия. Цветовую аналогию выбрали из-за связи с тем, как комбинируются различные цвета света. Отсюда и происхождение названия этой теории: приставка «хромо-» происходит от греческого слова chroma, которое означает «цвет». Три типа цветных зарядов назвали красным, синим и зеленым. Красный, синий и зеленый кварк могут объединяться для создания чего-то бесцветного. Правило гласит, что кварки не могут существовать поодиночке, поскольку они обладают цветом, а позволены лишь бесцветные комбинации. Это напоминает более раннее обсуждение природы атомов, которые должны содержать равное количество положительного и отрицательного заряда, чтобы быть электрически нейтральными. Однако в этом случае природа хотя бы позволяет атомам терять или приобретать электроны и таким образом существовать в качестве положительных или отрицательных ионов.

Хотя отдельные кварки существовать не могут, в настоящее время ведутся глубокие исследования создания так называемой кварк-глюонной плазмы, или отдельных кварков и обменных частиц, именуемых глюонами. Эти типы частиц возникают, когда два тяжелых ядра сталкиваются при очень высоких энергиях. На долю секунды границы между протонами и нейтронами внутри двух ядер пропадают и возникает бульон из свободных кварков и глюонов, который очень быстро «замерзает» в форме различных адронов. Считается, что очень высокая температура и плотность, которые необходимы для создания этой плазмы, были характерны для нашей Вселенной сразу после Большого взрыва.

Стоит упомянуть, что о фокусах цветового объединения кварков внутри адронов думали еще до появления квантовой хромодинамики. Важное различие между КЭД и КХД заключается в том, что в КЭД существует лишь один переносчик силы – фотон. В КХД есть восемь разных типов обменных частиц цветной силы, или глюонов, которые определяют различные способы взаимодействия цветных кварков. В предыдущей главе я описал, как Юкава предположил, что в ходе обмена между двумя нуклонами пион представляет собой фундаментальную частицу – переносчик силы. Мы видим, что на более глубоком уровне истинными переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны.

Итак, подобно тому как теория электрослабого взаимодействия описывает взаимодействие частиц посредством обмена переносящих силу фотонов или W – и Z-бозонов, КХД представляет собой квантовую теорию поля, описывающую обмен кварков глюонами.

Однако амбициозная цель объединения сил еще не достигнута. В то время как физики успешно скомбинировали в одной теории электромагнитную силу и слабое ядерное взаимодействие, они до сих пор не сумели объединить теорию электрослабого взаимодействия с КХД, хотя обе они представляют собой квантовые теории поля. Можно сказать, что схема их объединения существует, однако ее только предстоит проверить экспериментальным путем. До этого физикам частиц приходится пользоваться аппаратом, который включает в себя в качестве «стандартной модели» и теорию электрослабого взаимодействия, и КХД. Этот аппарат прекрасно работает, однако никто не верит, что он представляет собой последнее слово в этом отношении.

Великое объединение

Можно достичь