Фрэнк Вильчек - Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил

Природа поет обольстительную песню. Давайте прислушаемся к ней…

В предыдущих главах мы довольно подробно обсудили сильное взаимодействие и описывающую его теорию — квантовую хромодинамику, или КХД. Современная квантовая теория электричества и магнетизма — квантовая электродинамика, или КЭД, — является одновременно матерью и младшей сестрой КХД. Матерью, потому что КЭД возникла раньше и предоставила множество концепций, которые легли в основу КХД; а сестрой, потому что уравнения квантовой электродинамики являются более простым, менее устрашающим вариантом уравнений КХД. КЭД мы также довольно подробно обсудили.

В рамках обычного хода вещей главная роль сильного взаимодействия заключается в построении протонов и нейтронов из кварков и глюонов. При этом практически нейтрализуются цветные заряды, однако оставшиеся дисбалансы порождают остаточные силы, которые связывают протоны и нейтроны в атомные ядра. Электромагнитное взаимодействие связывает электроны с ядрами, создавая атомы. При этом практически нейтрализуются электрические заряды, однако оставшиеся дисбалансы порождают остаточные силы, которые связывают атомы в молекулы, а молекулы — в вещество. КЭД также описывает свет и все родственные ему формы электромагнитного излучения — радио, СВЧ, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение.

Третьим крупным игроком в Центральной теории является слабое взаимодействие. Его роль в природе менее заметна, но также крайне важна. Слабое взаимодействие отвечает за алхимию. Точнее, оно превращает кварки различных ароматов друг в друга, а также превращает друг в друга различные виды лептонов. На рис. 17.1 слабое взаимодействие производит преобразования в вертикальном направлении. (Сильное взаимодействие производит преобразования в горизонтальном направлении.) При изменении одного из u −кварков в протоне на d −кварк протон превращается в нейтрон. Таким образом, изменения, вызванные слабым взаимодействием, преобразуют атомное ядро одного элемента в атомное ядро другого. Реакции, основанные на «алхимии» слабого взаимодействия (более «важным» названием которой является «ядерная химия»), могут сопровождаться высвобождением гораздо большей энергии, чем у обычных химических реакций. Звезды живут на энергии, получаемой в результате систематического преобразования протонов в нейтроны.

Прежде чем углубляться в детали устройства ядра Центральной теории (сильного, электромагнитного и слабого взаимодействий), я сделаю несколько замечаний о том, что (на время!) придется обойти вниманием, — о гравитации и массе нейтрино.

• Как мы уже обсуждали, кажущаяся слабость гравитации, вероятно, больше связана с нашим восприятием, чем с собственно гравитацией. И, как мы увидим в следующих нескольких главах, Природа побуждает нас включать гравитацию вместе с другими видами взаимодействий в качестве равноправного партнера, участвующего в объединении.

На практике нет никаких трудностей для включения гравитационных взаимодействий в Центральную теорию. Для этого существует уникальный и простой способ, и он работает. (Для экспертов: примените действие Эйнштейна — Гильберта к метрическому полю, минимизируйте взаимодействие материальных полей и сделайте квантование в плоском пространстве.) В своей повседневной работе астрофизики постоянно используют общую теорию относительности наряду с остальными компонентами Центральной теории, и вполне успешно. Это касается и тех, кто использует GPS.

Короче говоря, обычная практика отделения гравитации от других составляющих Центральной теории является удобной, но, вероятно, поверхностной.

• То, что нейтрино обладает ненулевой массой, было установлено в 1998 году, однако намеки на это появились еще в 1960-е годы. Значения масс нейтрино очень малы. Масса самого тяжелого из трех типов нейтрино не превышает одной миллионной массы следующей легчайшей из известных нам частиц — электрона. Нейтрино известны своей неуловимостью и призрачностью. Около 50 триллионов этих частиц ежесекундно проходят сквозь тело каждого из нас, но мы этого не замечаем. Джон Апдайк написал о нейтрино стихотворение, которое начинается такими словами:

Благодаря героическим усилиям экспериментаторы смогли довольно подробно изучить свойства нейтрино [50] Написано несколько книг, посвященных нейтрино и их свойствам. (На самом деле они участвуют во взаимодействии, только очень редко.) Поскольку этот предмет является сугубо техническим и несколько уводящим от нашей основной темы, я описал его очень избирательно и кратко. Дополнительные подробности и ссылки вы можете найти в примечаниях. — Примеч. авт. .

Центральная теория прекрасно уживается с идеей о нулевой массе нейтрино, которая очень естественно встраивается в ее структуру. Для учета ненулевых масс нейтрино мы должны добавить новые частицы с необычными свойствами, для которых нет никакой другой мотивации или доказательств. Когда мы расширим Центральную теорию, чтобы получить единую теорию взаимодействий, все будет выглядеть совсем иначе. Тогда мы признаем новые частицы в качестве родственников — блудных детей, вернувшихся в семью. А их необычное поведение намекнет на их приключения в далеких краях.

Есть еще две сложности, которые я собираюсь приукрасить. Они представляют собой отклонения от моего главного сообщения, но не упомянуть о них было бы неправильно. Пожалуйста, не позволяйте этим поверхностным осложнениям отпугнуть вас. Признавая их существование, мы не позволим им исказить наше видение.

• Одной из сложностей являются массы и смешение калибровочных бозонов. В базовых уравнениях присутствует три симметричные группы калибровочных полей. Есть восемь цветных глюонных полей, с которыми вы уже познакомились. Еще три связаны с симметрией слабого взаимодействия. Они называются W +, W − и W 0 , и все они симметричны друг другу. Наконец, есть один изолированный калибровочный бозон B 0 с «гиперзарядом». Сверхпроводимость Сетки придает ненулевые массы частицам, созданным W + и W − , а также вполне определенной смеси W 0 и B 0 . Возмущения в этой смеси производят массивные частицы, называемые Z −бозонами. Возмущения в другой комбинации W 0 и B 0 (для экспертов: ортогональная комбинация) остаются безмассовыми. Эта безмассовая комбинация W 0 и B 0 представляет собой фотон.