Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Эткинз (Эткинс) Питер

Некоторые из этих симметрии — они потом превратятся в почти симметрии, нарушенные симметрии — довольно легко вообразить. Начнем с двух составляющих ядра, с которыми мы столкнулись в главе 5, протона и нейтрона, которые вкупе называются нуклонами. Эти две частицы подозрительно похожи: они имеют похожую массу (нейтрон чуть-чуть тяжелее, то есть у него чуть-чуть больше энергии) и обе имеют свойство, известное нам как спин. Принципиальной разницей между ними является то, что протон заряжен, а нейтрон нет. Если мы на мгновение забудем о разнице масс, то эти частицы окажутся близнецами. То есть между ними существует симметрия. Физики, изучающие элементарные частицы, думают об этой симметрии в терминах свойства, носящего название изоспин(поскольку его свойства аналогичны свойствам спина). Изоспин «по часовой стрелке» соответствует «включенному» заряду (протон), а изоспин «против часовой стрелки» соответствует «выключенному» заряду (нейтрон). Эти две частицы действительно являются одной: одна (протон) является нуклоном с положительным изоспином, а другая (нейтрон) — нуклоном с отрицательным изоспином. Все что надо сделать, чтобы перевести протон в нейтрон, это перевернуть его изоспин.

В первом приближении свойства нуклона не зависят от направления его изоспина. Однако симметрия между положительным и отрицательным изоспином несовершенна и слабо нарушается другими взаимодействиями, такими как взаимодействие нуклонов с электромагнитным полем. Энергия взаимодействия с электромагнитным полем различна для положительного и отрицательного изоспина. Следовательно, массы двух состояний нуклона немного различны: состояние нуклона с отрицательным изоспином (нейтрон) оказывается несколько более массивным, чем состояние с положительным изоспином (протон).

Идентификация изоспина (Гейзенберг) похожа на открытие триад связанных элементов Доберейнером двумя веками раньше (глава 5). Доберейнер идентифицировал фрагменты полного узора, узор, в свой черед, был идентифицирован Менделеевым и оказался портретом лежащего в основе нарушения симметрии более слабыми взаимодействиями. Не может ли быть, что и все элементарные частицы связаны симметрией, а различия их масс являются следствием нарушения симметрии? Существует ли периодическая таблица элементарных частиц, и лежат ли корни этой таблицы в симметрии и ее частичной потере?

Нам следует отступить немного назад. Менделеев смог составить свою таблицу, потому что он имел доступ к информации о большой части всех элементов. Подобным же образом нам необходимо войти в зоопарк частиц, чтобы увидеть, что там находится. Доберейнер не имел возможности продвинуться дальше своих триад с тем малым количеством данных, которые были у него в руках; мы сможем продвинуться дальше изоспина только после того, как у нас будет достаточно данных, чтобы получить более широкий обзор.

Физики, изучающие элементарные частицы, являются настоящими вандалами. В интересах будущей цивилизации они берут один кусок вещества, с яростью швыряют его в другой и роются в разлетевшихся осколках, возникших из этого столкновения. Как вы можете подозревать, чем больше сила удара, тем более мелкими — и, предположительно, более фундаментальными — будут фрагменты. Ускорители частиц, используемые для того, чтобы столкнуть частицу с частицей, представляют собой реализацию мечты древних греков, поскольку с их помощью мы можем надеяться раздробить материю до конца.

Но с этой проблемой надо быть осторожными. На какие осколки разлетается вещество, зависит от силы столкновения. Возможно, мы никогда не будем уверены, что добрались до конца дробления, так как постройка более крупного ускорителя может позволить раздробить вещество еще больше (в этом деле размер действительно важен, ибо с ним увеличивается и сила). Конечно, когда мы достигнем конца этой главы, мы увидим, что это как раз тот случай, в котором, чтобы проверить наше понимание предельной основы мира, нам необходимо было бы построить ускоритель, который перекрыл бы Вселенную и поглотил бы больше ресурсов, чем способны произвести все существующие экономики.

Держа в уме эту мысль, мы, может быть, стоим на ступени, достигнутой Дальтоном два века назад, когда он сосредоточил достаточно энергии — малой, химической энергии, — чтобы прийти к понятию атомов, и смог построить теорию, основанную на их индивидуальных свойствах, безотносительно к их внутреннему устройству. Как скалолаз на опрокинутом Эвересте, наука бывает рада отдохнуть на различных ровных площадках в своем путешествии вниз, к глубинам, и не торопится попасть слишком глубоко в неизвестное. Атомы были в достаточной мере фундаментальны для викторианцев, наши элементарные частицы мы подобным же образом будем считать фундаментальными для нас в достаточной мере. Иными словами, пока (но не до конца этой главы) мы будем считать, что уже имеющийся у нас зоопарк частиц и есть реальный зоопарк, или, по крайней мере, достаточно фундаментальный зоопарк, в котором мы встречаем животных, пойманных нашими охотниками-вандалами с тех пор, как впервые в 1897 г. был разорван на части атом, и в 1919 г. не устояло перед атакой ядро.

Когда мы думаем о частицах, мы думаем о составляющих их частях и о силах, удерживающих эти части вместе, об их клее. Ученые обнаружили одну силу, ответственную за все такие взаимодействия. Хотя это преувеличение. Выражаясь более точно, они верят, что существует только одна сила, действующая во Вселенной, очень экономная, но проявляющая себя пятью различными способами. Три проявления — электрическая, магнитная и гравитационная силы — знакомы нам по повседневной жизни. Два других проявления — слабое и сильное взаимодействия — совершенно не знакомы.

Одним из величайших достижений науки девятнадцатого века была демонстрация того, что электрические и магнитные силы лучше всего представлять себе как две стороны одной электромагнитной силы, которую провел шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл (1831-79) [23]в своей Динамической теории электрического поля(1864). Максвелл основывал свою теоретическую работу на результатах, которые экспериментально получил блистательный, но не умевший выражаться математически ясно Майкл Фарадей (1791-1867), ранее введший в физику понятие полякак области действия силы. Вообще говоря, электрическая сила действует между всеми заряженными частицами, а магнитная сила действует между заряженными частицами в движении, такими, как поток электронов в соседних витках проволоки. Одним из важнейших плодов этой унификации двух ранее отдельных сил было то, что Максвелл пролил свет на загадочную до тех пор природу света и продемонстрировал, что свет является электромагнитным излучением, электромагнитным полем в полете. Такое понимание было подтверждено в 1888 г., когда Генрих Герц (1857-94) создал и зарегистрировал радиоволны: результатом этого явилась история современной связи. Вторым интеллектуальным плодом была теория относительности, которая появилась, когда уравнения Максвелла предстали перед проницательным взглядом Эйнштейна (глава 9).

Третий плод упал с того же дерева в начале двадцатого века, когда в 1905 г. появилось развитое Эйнштейном понятие фотона (см. главу 7), пакета электромагнитной энергии, название которому дал в 1916 г. американский химик Г.Н. Льюис. Фотон был первой из открытых частиц-переносчиков взаимодействия, частиц, которые переносят силу между излучающей и реагирующей частицами, такими, как два электрона или электрон и ядро. Фотон является частицей-переносчиком взаимодействия для электромагнитного поля, передавая силу от частицы к частице и путешествуя со скоростью света.

На этой стадии нам необходимо отметить два свойства фотонов, которые пригодятся нам позднее. Фотон не имеет массы и, как и электрон, обладает спином, который не может быть уничтожен. По техническим причинам, связанным с квантово-механическим описанием спина, электрону приписывается спин, равный одной второй от единицы момента импульса. По тем же причинам фотону приписывается единичный спин. Частицы с полуцелым спином (включающие в себя, кроме электронов, протоны и нейтроны) называются фермионамив честь итальянского физика Энрико Ферми (1901-54), который открыл способ описания их ансамбля, а также возглавлял во время войны проект по созданию первого ядерного реактора в рамках проекта Манхэттен. Частицы с целым спином называются бозонамив честь индийского физика Сатьендранатха Бозе (1894-1974), который изучал статистические свойства систем, состоящих из большого числа таких частиц, как, например, контейнеры, наполненные светом, или солнечные лучи. Оказывается, что все фундаментальные частицы вещества являются фермионами, в то время как все частицы-переносчики взаимодействия являются бозонами. Поэтому описание материи, как ансамбля фермионов, удерживаемых вместе бозонами, является очень глубоким.