Виктор де Касто - PRO Антиматерию

Если вы наблюдаете за магнитом, притягивающим кусок металла, или компасом, стрелка которого поворачивается к Северному полюсу, вы можете задуматься: что между ними общего? Какой агент тут действует? Происходящее в данном случае можно назвать «электромагнитным полем», но, по большому счету, это не объяснение. Мы просто придумали ярлык для странного явления, для действия через весьма существенное расстояние. Один из результатов работы Дирака – открытие того, что самим электромагнитным полем управляет квантовая теория. Фотоны – пучки электромагнитной радиации, подобные частицам, и они передают электромагнитную силу по мере того как перемещаются от одной заряженной частицы к другой. Двигающийся взад и вперед электрон в радиоантенне в Лондоне может вызвать подобную реакцию внутри вашего радиоприемника, стоящего у вас дома (а ваш дом может находиться очень далеко от Лондона), и передатчиком в данном случае будут электромагнитные волны – благодаря радиоволнам также происходит и движение фотонов. Движение в одной точке приводит к движению в другой; фотоны проходят по разделяющему две точки пространству; сила приходит к вам.

«Фермилаб» – Национальная ускорительная лаборатория имени Энрико Ферми, США

В современной «квантовой теории поля» не только электромагнитная, но и все силы передаются бозонами. Считается, что то, что фотон делает для электромагнитной силы, то и «гравитон» делает для силы тяжести. Пока никто еще не обнаружил гравитон, но мало кто сомневается, что он существует и когда-нибудь будет открыт. Есть две другие силы, которые также передаются бозонами.

Эти силы менее широко известны, потому что в основном действуют в атомном ядре и вокруг него, их можно раскрыть только благодаря высокочувствительной аппаратуре, способной работать на таком уровне. Они известны как сильное взаимодействие и слабое взаимодействие, названия отражают их очевидную мощь относительно знакомой нам электромагнитной силы.

Схема ядерного синтеза

Сильное взаимодействие строит протоны и нейтроны из более мелких частей, известных как кварки (о них мы подробнее поговорим ниже), и склеивает вместе атомное ядро. Слабое взаимодействие заставляет Солнце светить и является очень важным для строительства элементов, без которых Земля и мы сами не можем существовать. Эта сила действует внутри атомных ядер, медленно съедая их изнутри и в конце концов трансформирует составляющие их части в более стабильные комбинации. Таким образом на Солнце, где протоны являются топливом, слабое взаимодействие постепенно превращает четыре из этих протонов в компактный кластер, который является ядром гелия, состоящим из двух протонов и двух нейтронов. Оперируя таким образом, слабое взаимодействие трансформирует два из протонов в нейтроны, их положительный электрический заряд забирают позитроны. За пять миллиардов лет примерно половина солнечного топлива, его протоны, изменилась таким образом. Это дает представление о том, насколько слаба эта сила при работе внутри солнечной печки, за что мы можем быть благодарны: Солнце живет достаточно долго, чтобы появились разумные существа, но при этом работает достаточно быстро для обеспечения условий, при которых жизнь вообще смогла появиться.

Сильные и слабые силы интересуют физиков уже более полувека – с тех самых пор, как их существование было признано. Сегодня мы понимаем, как они работают, и их секреты фактически раскрыло использование антиматерии. Они тоже передаются бозонами.

Глюоны – это то, что склеивает кварки друг с другом для построения протонов и нейтронов, а затем пионы помогают построить ядра атомов с использованием последних. Пионы также именуются пи-мезонами, это субатомные частицы, открытие в 1947 году. Слабое взаимодействие проявляется двумя определенными путями, и есть бозоны, которые его передают. Одно из проявлений подобно электромагнитной силе, но гораздо слабее, оно передается электрически нейтральным бозоном известным как Z 0(ноль обозначает отсутствие заряда). Этот Z 0подобен фотону, за исключением того, что очень массивен, массивнее даже атома железа. Для него даже придумали название – «тяжелый свет». Второй способ проявления слабого взаимодействия – это обмен участвующих частиц количествами электрического заряда. Например, при трансформации протона в нейтрон внутри Солнца слабая сила взяла электрический заряд у протона и передала его позитрону. А откуда появился этот позитрон? Он был создан из энергии, унесенной носителем слабой силы, известным, как W +. В данном случае плюс обозначает, что у W положительный электрический заряд. W также может существовать и с отрицательным зарядом, как при распаде нейтрона. В данном случае нулевой заряд нейтрона превратился в положительный (протон) и отрицательный ( W —), отрицательный электрический заряд W —передается электрону.