Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Гравитация — это единственное взаимодействие, которое имеет значение для движения планет и звезд. Для более мелких объектов, вроде нас, гравитация тоже важна, но основную роль все же играет электромагнетизм. Все, что мы видим, слышим, пробуем, осязаем или обоняем, есть лишь косвенное следствие основной электрической структуры материи. Сама жизнь, в конечном счете, является электромагнитным явлением, хотя и чрезвычайно сложным.
Третье природное взаимодействие необходимо для удержания нуклонов в атомном ядре. Оно не является следствием электромагнетизма. Когда-то это ядерное взаимодействие считали элементарным взаимодействием, аналогичным электромагнетизму, а его самым основным ядерным «клеем» считались мезоны. Сегодня мы полагаем, что и мезоны, 158
в поисках кварка 158
и нуклоны — это сложные системы, состоящие из кварков. Ядерное взаимодействие рассматривается только лишь как косвенное проявление более основного цветового взаимодействия, ответственного за постоянный «конфайнмент» кварков. Цвет используется в этом новом техническом смысле без какой-либо связи с обычным значением этого слова.
Теория, стоящая за цветовым взаимодействием, сложна и еще до конца не понята. Некоторые называют ее хромодинамикой. Необходимое требование хромодинамики состоит в том, что каждый вид кварков обладает тремя аспектами, названными цветами, которые связаны с тем, как этот кварк объединяется с другими кварками для образования более крупной частицы. Переносчики цветового взаимодействия — в том смысле, в каком фотоны являются переносчиками электромагнетизма, — называются глюонами. Когда кварк взаимодействует с глюоном, он может изменить свой цвет. Странное свойство хромодинамики заключается в том, что ни один из ее ингредиентов: ни кварк, ни глюон, ни даже цвет — не имеет никакого смысла вне адрона. Невозможно «показать существование» кварков и глюонов, как мы делаем это для других частиц. Барионы, образованные тремя кварками, содержат кварки трех разных цветов, вследствие чего «кажутся» бесцветными.
Тем не менее, для описания известного мира необходимо еще одно взаимодействие — сильное взаимодействие. Если цветовое взаимодействие удерживает ядро в целом состоянии, то слабое взаимодействие может стать причиной его распада. Оно является главным свойством радиоактивных атомных ядер. Ядра бывают радиоактивными в том случае, когда содержат слишком много нейтронов или протонов. Такие ядра ищут состояние равновесия, которого достигают после того, как некоторые их частицы распадаются, испускают лептоны, а также некоторое количество энергии, вследствие чего меняются и сами. Например, свободный нейтрон живет в среднем 10 минут, после чего испускает электрон и антинейтрино, превращаясь в протон.
Слабое взаимодействие — это как раз то взаимодействие, которое стоит за процессом распада, и, подобно гравитационному, электромагнитному и цветовому взаимодействию, оно необходимо для жизни. Оно вызывает ядерный распад, создающий энергию Солнца. Это взаимодействие обусловило синтез химических элементов, который имел место до рождения Земли. В отсутствие слабого взаимодействия Солнце, равно как и другие звезды, давным-давно погасло бы, а космический корабль под названием Земля, если бы и существовал вообще, был бы холодным и жутким местом, состоящим из чистого водорода.
В течение многих лет слабое, электромагнитное, ядерное и гравитационное взаимодействия казались абсолютно различными. Аспиранты в поисках кварка
159
покупали четыре учебника, слушали четыре курса, а затем решали, по какому из взаимодействий они будут специализироваться. Все полагали, что такое состояние дел неудовлетворительно, и мечтали о теории, которая объединила бы все четыре взаимодействия. Эйнштейн провел последние годы своей жизни, пытаясь объединить гравитацию и электромагнетизм. Он потерпел неудачу, равно как и все его последователи.
Однако в настоящее время в объединении всех взаимодействий, за исключением гравитации, происходит некоторый прогресс. Последние теоретические достижения и экспериментальные результаты убеждают в том, что слабое взаимодействие и электромагнетизм — всего лишь разные аспекты одной теории. Предполагается, что носители слабого взаимодействия — это наблюдаемые частицы, называемые промежуточными векторными бозонами и имеющие массу примерно в сто раз превышающую массу протона. Существующие ускорители частиц обладают достаточной мощностью, чтобы создать и выявить эти предполагаемые частицы. Следующее поколение ускорителей — если общество сочтет уместным их создать — покажет нам, правилен ли этот великий синтез.
Если объединятся слабое и электромагнитное взаимодействия, намного ли от них отстанет цветовое-ядерное взаимодействие? Кажется, что единая теория всех взаимодействий, за исключением гравитации, почти у нас в руках. И, быть может, наступит тот день, когда мы сможем работать и с гравитацией и добьемся давно искомого сближения между небесным и земным мирами. И только тогда нам нужно будет задуматься над стоном Бертрана Рассела по поводу того, что физика «приближается к тому этапу, когда она подойдет к концу, а потому утратит интерес».
