Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
За последние несколько лет было проведено несколько успешных экспериментальных проверок КХД. Сейчас нам кажется, что мы располагаем корректной теорией сильных взаимодействий, которая настолько же правильна, как и КЭД — теория электромагнитных взаимодействий; 268
Великое объединение
хотя с помощью КХД мы пока не можем предсказывать ядерные процессы с точностью до десяти десятичных разрядов.
А сейчас я перейду к слабым ядерным взаимодействиям, отвечающим за процесс ядерного бета-распада. Я упомянул, что нейтрон сам по себе нестабилен. По истечении нескольких минут он распадается на три стабильных частицы: протон, электрон и антинейтрино. (Нейтрино и антинейтрино — это безмассовые или почти безмассовые частицы, которые не подвержены ни сильным, ни электромагнитным взаимодействиям. Подобно призраку, они могут проходить сквозь километры материи без единого столкновения.) До недавнего времени удовлетворительной теории слабых взаимодействий не было вообще; но сейчас такая теория существует.
Взаимодействие каждого типа переносится своим видом частицы. Электромагнетизм переносят фотоны: силу, действующую между двумя заряженными частицами, можно считать вызванной обменом этими фотонами. Аналогично, сильные взаимодействия переносят «глюоны». В отличие от фотонов, глюоны невозможно увидеть непосредственно, потому что они, как и кварки, имеют цвет. Однако у нас есть хорошее, хотя и косвенное, экспериментальное свидетельство их существования. С тридцатых годов двадцатого века физики подозревали, что существует особая частица, переносящая слабые взаимодействия: «промежуточный векторный бозон», или W-частица.
Предполагалось, что процесс бета-распада происходит поэтапно: сначала нейтрон испускает W~ и превращается в протон; затем W~ превращается в антинейтрино и электрон. Хотя это допущение дает полезную и способную делать предсказания картину слабых взаимодействий, ее все же нельзя назвать самосогласованной.
За прошедшее десятилетие ученые осознали, что разумная теория слабых взаимодействий требует объединения слабых и электромагнитных взаимодействий. Тогда была разработана «теория электрослабых взаимодействий», которая привела к многочисленным экспериментальным достижениям. Но, самое главное, она предсказала существование нового класса физических явлений, называемых «нейтральными токами». Их уже наблюдали, и они количественно согласуются с предсказаниями теории.
Теория электрослабых взаимодействий, типа КХД, относится к разряду калибровочных. Поэтому все три фундаментальных взаимодействия элементарных частиц теперь можно включить в самосогласованную и обладающую высокой предсказательной способностью квантовую теорию поля. Эта «стандартная теория» предлагает предположительно корректное и полное описание всех явлений, за исключением гравитации. Тем не менее, в эстетическом плане этой теории чего-то недостает. 269 Великое объединение
КЭД — теория, содержащая всего один произвольный параметр: силу электрического отталкивания между двумя электронами. «Стандартная теория» содержит семнадцать таких произвольных параметров. Ясно, что это слишком большое число, чтобы считать его действительно фундаментальным. Более того, стандартная теория не объясняет факт «квантования заряда»: то, что электрический заряд электрона точно равен заряду протона, но имеет противоположный знак.
Теории великого объединения пытаются исправить эти недостатки. Точнее, эти теории принимают во внимание тот факт, что элементарные кварки и лептоны (частицы не образованные кварками), судя по всему, образуют простые «семейства». Первое «семейство» состоит из м-кварка с зарядом 2/3, <і-кварка с зарядом -1/3, электрона с зарядом -1 и нейтрино с нулевым зарядом. Одного первого семейства достаточно, чтобы управлять «космическим кораблем Земля» и обеспечивать топливо для Солнца. Однако существует три таких семейства элементарных частиц. Члены двух других семейств образуют нестабильные частицы, создаваемые космическими лучами или на ускорителях частиц. Каждое семейство состоит из двух кварков и двух лептонов с одинаковым строением электрического заряда. Мы не понимаем, почему в природе существует не одно семейство, а целых три.
В теориях великого объединения каждое семейство рассматривается как самостоятельная структурная единица. Такие разные частицы, как кварки и лептоны, группируются в одно целое. Электрические заряды кварков и лептонов указывают на разумность этого: если мы вспомним, что кварки имеют три цвета, мы поймем, что сумма зарядов частиц каждого семейства равна нулю. Я должен немного рассказать о том, что значит «собрать вместе» разнородные частицы или силы.
Степень симметрии системы нередко зависит от температуры: обычно при высокой температуре симметрия проявляется сильнее, чем при низкой. К примеру, жидкость «изотропна»: все ее направления эквивалентны. При остывании из нее могут образоваться кристаллы. Вот они уже могут быть какими-угодно, только не изотропными; они обладают четко определенной симметрией, но не такой полной, как изотропия. Другим примером являются постоянные магниты. Асимметрия, отражаемая существованием отдельного северного и южного полюсов, исчезает, когда магнит нагревается, теряя свои магнитные свойства.
