Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| верхних
и один нижний кварки внутри протона показаны на рис. 16), которые сила, известная как сильное ядерное взаимодействие, связывает в протоны и ней- троны. Несмотря на обычное название, сильное взаимодействие представляет собой особую силу природы и дополняет остальные известные типы фундаментальных взаимодействий — электро- магнетизм, гравитацию и слабое взаимодействие, о котором мы поговорим позже. Сильное взаимодействие называется сильным, потому что оно… сильное — это подлинная цитата из объяснения одного из моих коллег-физиков. Звучит глупо, конечно, но на самом деле это правда. Именно поэтому кварки можно обнаружить только в связанном состоянии в таких объектах, как протоны и нейтро- ны, для которых сильное взаимодействие в целом нейтрализуется. Это взаимодействие настолько сильно, что в отсутствие иных сил компоненты, связанные сильным взаимодействием, невозможно было бы обнаружить отдельно друг от друга. u d u Два верхних кварка Нижний кварк Протон РИС . 16. Заряд протона переносится тремя валентными кварками — двумя верхними и одним нижним 118 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА Выделить один-единственный кварк невозможно. Кварки как будто намазаны чем-то особым, которое проявляет свои кле- ящие свойства на больших расстояниях (поэтому частицы, ко- торые переносят сильное взаимодействие, получили название глюонов *). Представьте себе эластичную ленту, упругие свойства которой проявляются только тогда, когда ее растягивают. Внутри протона или нейтрона кварки могут свободно двигаться, но по- пытка удалить один из кварков на сколько-нибудь существенное расстояние потребовала бы дополнительной энергии. Приведенное описание вполне корректно, но интерпретиро- вать его нужно с осторожностью. Человек, естественно, представ- ляет себе кварки как бы заключенными в мешок, где от внешнего мира их отделяет материальная преграда. Более того, одна из мо- делей ядерных систем, по существу, рассматривает протоны и ней- троны именно в таком ключе. Однако она, в отличие от других моделей, о которых мы будем говорить позже, вовсе не является гипотезой реальности. Ее единственная цель — производить вы- числения в диапазоне расстояний и энергий, где действующие силы так мощны, что обычные методы расчетов неприменимы. Протоны и нейтроны — не сосиски. У них нет искусственной оболочки, которая удерживала бы кварки внутри. Протон — это стабильный набор из трех кварков, которые удерживает вместе сильное взаимодействие. Благодаря этой силе три легких квар- ка, по существу, действуют как единый объект — протон или нейтрон. Еще одно существенное следствие сильного взаимодействия — и квантовой механики — состоит в том, что внутри протона или нейтрона рождаются дополнительные виртуальные частицы, которые не живут долго, но в каждый отдельно взятый момент вносят свой энергетический вклад. Массу, а следовательно, и энер- гию, согласно знаменитой формуле Эйнштейна E = mc 2 , в протоне и нейтроне имеют не только сами кварки, но и та сила, что их свя- зывает. Сильное взаимодействие подобно эластичной ленте, ко- торая связывает два мяча и сама по себе содержит энергию. Если * От англ. glue — клей. — Прим. пер. ВОЛШЕБНАЯ ЭКСКУРСИЯ В ГЛУБЬ МАТЕРИИ 119 «ущипнуть» эту ленту, запасенная в ней энергия позволит родиться новым частицам. До тех пор пока суммарный заряд новых частиц равняется нулю, этот процесс рождения частиц из энергии в протоне не на- рушает никаких известных физических законов. К примеру, поло- жительно заряженный протон при рождении виртуальных частиц не может внезапно превратиться в нейтральный объект. Это означает, что каждый раз, когда кварк — который сам по себе представляет собой частицу с ненулевым зарядом — рож- дается, одновременно должен родиться и антикварк, то есть ча- стица, по массе идентичная кварку, но с обратным зарядом. Более того, пары «кварк — антикварк» могут как появляться, так и ис- чезать. К примеру, кварк и антикварк при аннигиляции могут по- родить фотон (частицу, которая передает электромагнитное вза- имодействие), который, в свою очередь, породит новую пару «ча- стица / античастица» (рис. 17). Их суммарный заряд равен нулю, так что ни с рождением, ни с гибелью пары заряд внутри протона не изменится. Кварк Антикварк Фотон Частица Античастица q x γ - q - x РИС . 17. Достаточно энергичные кварки и антикварки могут анни- гилировать с выделением энергии, которая, в свою очередь, создает другие заряженные частицы и соответствующие им античастицы Помимо кварков и антикварков протонное море (это не мета- фора, а технический термин!), состоящее из возникающих вирту- альных частиц, содержит также глюоны — частицы, отвечающие за сильное взаимодействие. Они аналогичны фотонам, при об- мене которыми между электрически заряженными частицами возникает электромагнитное взаимодействие. Глюоны (их су- ществует восемь различных типов) подобным образом передают сильное взаимодействие. Ими обмениваются частицы, обладаю- щие зарядом, который является объектом сильного взаимо дей- 120 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА ствия; обмен глюонами связывает кварки воедино или отталки- вает их друг от друга. Однако в отличие от фотонов, которые не имеют электриче- ского заряда и потому не подвергаются непосредственному дей- ствию электромагнитных сил, глюоны и сами являются объектом сильного воздействия! В то время как фотоны способны переда- вать взаимодействие на громадные расстояния — ведь мы можем включить телевизор и увидеть сигнал, переданный в эфир за мно- го километров от нашего дома, — глюоны, как и кварки, не мо- гут уйти далеко, прежде чем взаимодействие осуществится. Глю- оны связывают объекты на расстояниях, сравнимых по размеру с протоном. Если представить себе внешний вид протона и сосредото- читься только на элементах, несущих его заряд, можно сказать, что протон состоит из трех кварков. Это три валентных кварка — два верхних и один нижний, — которые вместе формируют его заряд. Однако помимо трех кварков, ответственных за заряд, вну- три протона существует целое море виртуальных частиц — пар «кварк — антикварк» и глюонов. Чем подробнее мы будем рассма- тривать протон, тем больше виртуальных кварк-антикварковых пар и глюонов обнаружим. Их конкретное распределение зависит от энергии, с которой мы будем их зондировать. При тех энерги- ях, с которыми сегодня можно сталкивать протоны, мы видим, что значительную часть их энергии несут виртуальные глюоны, кварки и антикварки различных типов. Они никак не влияют на электрический заряд частицы, но, как мы увидим позже, важны для корректного предсказания результатов протонных столкнове- ний, когда нам необходимо знать, что находится внутри протона и что конкретно переносит его энергию (более подробно строение протона см. на рис. 18). Теперь, когда мы дошли до масштаба кварков, удерживаемых вместе сильным взаимодействием, мне бы хотелось рассказать, что происходит на еще более мелких масштабах. Имеет ли кварк внутреннюю структуру? Имеет ли ее электрон? На данный мо- мент у нас нет этому никаких свидетельств. Ни один экспери- мент до сих пор не дал никаких подтверждений существования ВОЛШЕБНАЯ ЭКСКУРСИЯ В ГЛУБЬ МАТЕРИИ 121 структур более низкого уровня. В контексте нашего путешествия в глубь вещества кварки и электроны — это конец пути. Пока. C C – U U – U U – D U S S – – G G G G D U Глюоны Пары «кварк — антикварк» жүктеу/скачать 8,11 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|