Фрэнк Вильчек - Основы реальности

Эти задачи освобождения и эмпатии неотделимы от понимания основ науки. Это понимание помогает нам их достичь. Вселенная — странное место, и мы живем в ней все вместе.

В приложении я хочу кратко осветить некоторые важные вопросы, дополняющие основной текст, — те, которые, как мне представляется, либо непосредственно к рассказу не относятся, либо, учитывая дух этой книги, слишком сложны.

В поведении частицы масса играет двоякую роль: определяет как ее инерционные свойства, так и гравитационное взаимодействие. Инерция тела — мера сопротивления изменениям его движения. Тело с большой инерцией стремится двигаться с неизменной скоростью, если только к нему не приложить значительную силу. Сила притяжения частицы определяет универсальное ускорение, обусловленное ее взаимодействием с другими частицами. Чем больше ее масса, тем больше сила притяжения.

Масса каждого вида элементарных частиц имеет определенное значение, и для разных частиц оно обычно разное. По-видимому, эти значения не укладываются ни в какую простую схему. Многие ученые пытались объяснить их, но успеха не достигли [143].

Масса некоторых наиболее важных элементарных частиц, включая фотоны, глюоны и гравитоны, равна нулю, но это не значит, что они не обладают инерцией и не являются источниками гравитации. Позвольте мне объяснить этот парадокс: как следует из моего опыта, он вызывает затруднения у думающих учеников.

Масса дает вклад в силу как инерции, так и гравитации, но это не единственный фактор. В частности, движущаяся частица обладает большей инерцией, и сила притяжения, с которой она действует на другие частицы, больше по сравнению с покоящейся частицей. В самом деле, теория относительности учит нас, что не масса, а энергия «ответственна» за инерцию и гравитацию. В соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна E = mc 2энергия и масса покоящейся частицы пропорциональны. Значит, для определения инерции и силы притяжения можно использовать любую из этих величин — они взаимозаменяемы. Когда тела движутся медленно и их скорости малы в сравнении со скоростью света, при определении энергии формула E = mc 2остается хорошим приближением. Мы не делаем существенную ошибку, утверждая, что инерция и сила притяжения пропорциональны массе.

Однако для тел, скорость которых близка к скорости света, формула E = mc 2неприменима. Это не значит, что Эйнштейн сплоховал, но использовать следует более сложную, общую формулу, полученную им же. Она показывает, что, хотя масса фотонов равна нулю, их энергия нулю не равна, а следовательно, у них есть инерция и они создают гравитационные силы.

Электрический заряд частицы определяет интенсивность, с которой она вступает в электромагнитные силовые взаимодействия. О природе этой силы рассказывается в основном тексте. Здесь мы остановимся на самом электрическом заряде как свойстве элементарных частиц.

Два факта об электрическом заряде делают работу с ним особенно легкой и приятной. Во-первых, это аддитивность : полный заряд нескольких объектов можно вычислить, просто сложив их заряды. А во-вторых, полный заряд изолированной области пространства неизменен независимо от того, что происходит внутри этой области. Заряд можно изменить, только внеся туда что-то или убрав, но не переставляя объекты внутри области или сталкивая их друг с другом.

Аддитивные и сохраняющиеся величины воплощают то, что мы интуитивно называем веществом. Они складываются и не теряются. Без преувеличения, на них можно положиться.

Электрические заряды элементарных частиц можно описать в рамках гораздо более простой и регулярной схемы, чем массы. У многих элементарных частиц электрический заряд равен нулю, а у остальных — целому числу, помноженному на общую единицу измерения [144]. Заряд некоторых частиц положителен, а других — отрицателен.

Как я уже говорил, электрический заряд ответственен за реакцию тела на электрические и магнитные поля. Есть два других вида зарядов, во многом аналогичные электрическому и играющие схожую роль в других взаимодействиях: цветной и слабый.

Цветной заряд тела характеризует интенсивность его отклика на глюонное поле. Мне нравится говорить, что цветной заряд похож на электрический, но на стероидах. Он определяет напряженность силы, обусловленной сильным взаимодействием. Единичный цветной заряд больше единичного электрического заряда (то есть заряда электрона). Это то, что делает сильные силы сильными. Но не только это: в отличие от одного вида электрического заряда и одного вида фотона, есть три вида цветных зарядов и восемь видов глюонов — переносчиков сильного взаимодействия.

Полная система уравнений, описывающая сильное взаимодействие и известная как квантовая хромодинамика (КХД), представляет собой расширенную и более симметричную версию уравнений Максвелла, «управляющих» квантовой электродинамикой (КЭД). КХД — это КЭД, нарастившая мускулы.

Слабые заряды бывают двух видов; единичный слабый заряд чуть больше единичного электрического. Физическая значимость слабых зарядов становится очевидной только в контексте идей, связанных с конденсатом Хиггса, о чем шла речь в главе 8.

Есть два сорта так называемых частиц изменения.

W - и Z -бозоны и бозоны Хиггса примерно в сто раз тяжелее протонов, а кроме того, очень нестабильны. Их трудно создать, и они крайне недолго живут. За последние десятилетия создание и наблюдение частиц изменения — главный результат работы мощных ускорителей.

Нейтрино, наоборот, очень легкие и в основном стабильные, но слабо взаимодействуют с обычной материей (то есть материей, состоящей из частиц конструкции).

Вот таблица, сходная с приведенной для частиц построения:

Хотя частицы изменения не относятся к важным составляющим обычной материи, их роль чрезвычайно велика. Такие частицы участвуют в превращениях — так называемых слабых взаимодействиях или слабых силах.

В мире природы высвобождение энергии в процессах с участием слабых сил приводит к движению тектонических плит и обеспечивает энергией звезды. Они же делают возможным существование атомных реакторов и ядерного оружия.

Имеется три вида нейтрино. У всех у них разные массы, и взаимодействуют они несколько по-разному. Как видно из таблицы, массы нейтрино составляют лишь крохотную часть массы электрона, но по крайней мере в двух случаях (а возможно, во всех трех) не равны нулю. Поскольку нулю равны и электрический, и цветной заряд нейтрино, взаимодействуют с обычной материей они минимально, что сильно затрудняет их изучение. Когда, как того требовала теория, Вольфганг Паули [145]выдвинул идею существования нейтрино, он не направил свою работу в периодический физический журнал. Вместо этого он написал покаянное неформальное письмо участникам конференции по ядерной физике, где сетовал: «Я сделал сегодня что-то ужасное. Физику-теоретику никогда не следует делать такого. Я предположил нечто, что никогда нельзя будет проверить экспериментально» [146].