Фрэнк Вильчек - Основы реальности

• В то время как фотоны электрически нейтральны, цветные глюоны — их аналоги, отвечающие за сильное взаимодействие, — сами несут цветной заряд. Глюоны чувствуют сильное взаимодействие так же, как кварки (на самом деле даже сильнее). И это еще одна причина, в силу которой протоны и нейтроны более однородны, чем атомы. Носители взаимодействия сами в нем тоже участвуют.

Чтобы завершить описание кварков и глюонов, нужно рассказать об их массах [54]. С глюонами все просто: масса глюонов, как и фотонов, равна нулю. Главное, что надо знать о кварках, — то, что их массы велики по сравнению с массой электрона, но очень малы в сравнении с массами протонов и нейтронов.

Может показаться парадоксальным, что масса протона гораздо больше масс того, из чего он состоит. На самом деле этот парадокс разрешим — благодаря выводу, что источником всей нашей массы (массы составляющих нас протонов и нейтронов) является энергия. И это высочайшее достижение человека в понимании природы.

Точно измерить массы u- кварков и d- кварков трудно. Дело в том, что выделить влияние их масс на фоне других, более значительных эффектов проблематично. Так что в таблице я указал наилучшие оценки их значений, отметив это звездочкой.

В наш список частиц построения следует добавить гравитоны — именно из них состоят гравитационные поля. Фотоны связывают атомы и молекулы; глюоны — кварки, протоны и атомные ядра; а гравитоны — планеты, звезды, галактики и вообще большие объекты.

Гравитоны никогда не регистрировались как отдельные частицы: поскольку электрический заряд у них нулевой, а цветной отсутствует, по отдельности они очень слабо взаимодействуют с обычной материей. Но каждая из перечисленных выше характеристик гравитонов непосредственно связана с наблюдаемыми свойствами сил, ими порождаемых. Мы наблюдаем действие гравитационных сил, а в последнее время и гравитационные волны. Все это результат кумулятивного действия множества отдельных гравитонов. Их масса равна нулю, поэтому они очень легко образуются в больших количествах.

Из-за относительно большого спина взаимодействия гравитонов сложнее, чем у других элементарных частиц. Ключевые черты теории гравитации Эйнштейна — общей теории относительности — следуют непосредственно из свойств гравитона, связанных со спином. И этот факт — впечатляющая демонстрация значимости наших трех основных атрибутов материи — массы, заряда и спина — для всеобъемлющего описания ее поведения. Путь, которым сам Эйнштейн пришел к созданию общей теории, был невероятно талантливым, но гораздо менее прямым.

На этом завершается наш обзор частиц — кирпичиков, из которых построена материя. Если вы впервые столкнулись с этими идеями, непривычные концепции и их конкретное воплощение могут с трудом укладываться в голове. Тем не менее главная мысль ясна: физический мир выстроен из очень небольшого числа разных составляющих. Более того, эти составляющие предельно просты в том смысле, что определяются всего несколькими характеристиками.

Список элементарных частиц существенно короче английского алфавита и гораздо короче периодической системы Менделеева. Вместе с законами, описывающими силы — их всего четыре, — составляющих из этого списка достаточно, чтобы эффективно и успешно описать материю. Об этом я расскажу в следующей главе. Здесь же мы остановимся на заманчивых гипотезах о том, как можно сделать описание материи еще компактнее.

Но сначала я хотел бы рассмотреть будущее элементов построения мира под другим углом зрения. Я опишу две стратегии «изготовления» новых полезных «элементарных частиц». Обе они вдохновлены самой природой. Одна — появившаяся под влиянием физики — основана на движении снаружи внутрь. Другая, фундаментом которой стала биология, предлагает двигаться изнутри наружу.

Творение частиц, версия первая: о дивный новый мир

Те же представления, на которые мы опирались, анализируя мир в целом, можно отнести и к веществам. Если в материю добавить немного энергии, заряда или спина, в большинстве случаев обусловленное этим возмущение соответствует некоторому количеству дискретных «порций», или, иначе, квантов. Эти «потусторонние» возмущения называют квазичастицами. Свойства квазичастиц могут быть совсем не такими, как у элементарных частиц в пустом пространстве.

Дырки — простой, но чрезвычайно важный класс квазичастиц. Внутри типичного твердого тела много электронов. Когда твердое тело находится в равновесии, они расположены согласно определенной схеме. Теперь представьте себе, что один электрон вынули — и там, где он должен был быть, образовалась пустота. После того как все успокоится, что может произойти довольно быстро, обычно остается квазичастица. В связи с тем, что появилась она как результат отсутствия одного электрона, ее электрический заряд равен +1 (напомним, заряд электрона равен –1). Мы называем такую квазичастицу дыркой [55].

Дырки дают нам положительно заряженные (квази)частицы, работать с которыми гораздо легче, чем с их ближайшим аналогом в пустом пространстве — протонами. Дырки играют важнейшую роль в транзисторах и вообще во всей современной электронике. Когда стало понятно, как создавать и использовать дырки, мир изменился.

В других случаях квазичастицы — «кровные родственники» элементарных частиц пустого пространства. Их свойства существенно меняются, когда они оказываются внутри материала. Прекрасный пример связан со сверхпроводимостью. Когда фотоны попадают в сверхпроводник, их масса меняется: теперь она чрезвычайно мала, но не равна нулю. Она зависит от сверхпроводника; ее характерное значение — порядка одной миллионной массы электрона. Для опытного физика появление массы у фотона и есть суть сверхпроводимости [56].

Мои первые работы по физике касались традиционных элементарных частиц. Но еще намного раньше, во время школьной экскурсии в Bell Labs, произошел случай, врезавшийся мне в память и в конечном счете изменивший мою жизнь. Один из ученых, пытаясь объяснить, чем он занимается, упомянул, что фононы — это кванты колебаний. Я не понял, о чем он говорит, но подумал: это самая классная штука, о которой я когда-либо слышал, — три таинственных понятия, у каждого свое звучное название, и все каким-то образом связаны. По пути домой я пытался разгадать эту загадку и нашел такой ответ: материя сама по себе — целый мир, отличный от нашего, и обитают там свои частицы, отличные от наших. Мне эта идея понравилась.