Брайан Кокс - Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать

Позвольте уточнить, что мы подразумеваем под взаимодействием двух частиц. Мы имеем в виду, что взаимодействие частиц друг с другом оказывает определенное влияние на их движение. Например, две частицы могут разлететься в разные стороны, изменив при этом направление движения. Или могут вращаться друг вокруг друга по орбите, попав в ситуацию, которую физики называют состоянием связи. Атом – один из примеров такого состояния. В случае атома водорода один электрон и один протон связаны друг с другом в соответствии с правилами, сформулированными в основном уравнении. В предыдущей главе мы с вами много говорили об энергии связи, а также о правилах ее расчета для атома, молекулы или атомного ядра, которые отображены в центральном уравнении. В определенном смысле знание правил игры означает, что мы описываем устройство Вселенной на самом фундаментальном уровне. Так каковы же частицы, из которых все состоит, и как они взаимодействуют друг с другом?

В стандартной модели в качестве отправной точки используется факт существования материи. Точнее говоря, эта модель предполагает существование шести типов кварков, трех типов заряженных лептонов (один из которых электрон) и трех типов нейтрино. Вы можете увидеть, как эти частицы вещества появляются в основном уравнении: они обозначены символом Ψ (произносится как «пси»). Кроме того, у каждой частицы есть соответствующая античастица. Антиматерия – это не продукт научной фантастики, а неотъемлемая составляющая Вселенной. В 20-х годах XX века британский физик-теоретик Поль Дирак [46]первым осознал необходимость в антиматерии, когда предсказал существование партнера электрона под названием позитрон, который должен был иметь точно такую же массу, но противоположный электрический заряд. Мы уже встречались с позитронами и знаем их как побочный продукт процесса слияния двух протонов и образования дейтрона. Одна из самых впечатляющих характеристик успешной научной теории состоит в ее способности прогнозировать нечто такое, что прежде было неизвестно. Последующее наблюдение этого «нечто» в ходе эксперимента убедительно подтверждает тот факт, что мы поняли что-то истинное об устройстве Вселенной. Если углубиться в суть вопроса, можно констатировать следующее: чем больше прогнозов способна сделать теория, тем большее впечатление производит ее подтверждение в ходе экспериментов. Напротив, если эксперименты не позволяют обнаружить прогнозируемое явление, то теория не может быть верной и ее необходимо отбросить. В таком интеллектуальном поиске нет места для споров: эксперимент – это последний судья. Звездный час Дирака наступил через несколько лет после того, как Карл Андерсон [47]осуществил первое непосредственное наблюдение позитронов, применив для этого космические лучи. За свой труд Дирак получил Нобелевскую премию в 1933 году, а Андерсон – в 1936-м. Каким бы загадочным ни казался позитрон, в наше время факт его существования подтверждается тем, что он используется в повседневной практике в больницах по всему миру. Использование позитронов в ПЭТ-сканерах (PET, positron emission tomography – позитронно-эмиссионная томография) позволяет врачам составить трехмерную карту организма. Скорее всего, Дирак не думал о диагностической визуализации, когда работал над идеей антиматерии. Это в очередной раз говорит о том, что понимание внутреннего устройства Вселенной приносит людям конкретную пользу.

Предположительно существует еще одна частица, но пока заявлять об этом с абсолютной уверенностью не стоит. Эта частица обозначается греческой буквой ϕ (произносится как «фи») и появляется в третьей и четвертой строках центрального уравнения. За исключением этой «еще одной» частицы все кварки, заряженные лептоны и нейтрино (а также их частицы-партнеры из антиматерии) были обнаружены в ходе экспериментов. Безусловно, их нельзя увидеть человеческим глазом. В последнее время это делается с помощью детекторов частиц, напоминающих фотокамеры с высоким разрешением, которые могут сделать мгновенный снимок элементарной частицы в момент ее мимолетного появления. Во многих случаях открыватели элементарных частиц получали Нобелевскую премию. Последней в 2000 году была обнаружена частица под названием тау-нейтрино. Этот призрачный кузен электронных нейтрино, излучаемых Солнцем в процессе ядерного синтеза, замыкает группу из 12 известных частиц материи.

Самые легкие кварки называются верхними и нижними. Из них построены протоны и нейтроны. В состав протонов входят главным образом два верхних и один нижний кварк, тогда как нейтроны состоят из двух нижних кварков и одного верхнего. Обычная материя образована из атомов, а в состав атомов входит ядро, сформированное из протонов и нейтронов, вокруг которых на достаточно большом расстоянии вращаются электроны. Таким образом, наряду с электронами верхние и нижние кварки – самые распространенные частицы в обычной материи. Кстати, их название не имеет специального значения. Американский физик Марри Гелл-Манн [48]позаимствовал слово «кварк» из романа ирландского писателя Джеймса Джойса Finnegan’s Wake («Поминки по Финнегану»). Для того чтобы объяснить известные на то время частицы, Гелл-Манну необходимо было три кварка, а небольшой отрывок из романа Джойса казался для этого весьма подходящим: