Читать «Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей» онлайн

в 1950-х гг. на ускорителях стали массово открывать разнообразные другие короткоживущие частицы. Их тоже называли элементарными, но со временем выяснилось, что они составлены из по-настоящему элементарных – кварков. И не только они, но и казавшиеся элементарными протон и нейтрон. А электрон (как и мюон), наоборот, ни из чего не составлен и не был разжалован из истинно элементарных. В результате выражение «элементарные частицы» может относиться к минимальному набору тех, которые и правда ни из чего другого не сложены, но нередко применяется и шире, охватывая протоны, нейтроны, пи-мезоны и т. д. (Смешению понятий дополнительно способствует тот факт, что протоны, нейтроны и другие частицы, составленные из кварков, нельзя разобрать на отдельные кварки.) В целом ряде ситуаций не называть, скажем, протон элементарной частицей довольно глупо, но, относя его к этой категории в несколько расширительном смысле, мы держим в уме, что он все же состоит из более элементарных. Однако в рамках этого приложения я слежу за тем, чтобы называть элементарными только по-настоящему элементарные частицы. Их-то – в отличие от «как-бы-элементарных» – совсем немного. Все вместе они и составляют Стандартную модель, содержание которой, впрочем, не ограничивается перечислением элементарных частиц, но, что очень важно, включает еще и описание их взаимодействий[311].

Небольшой набор известных элементарных частиц выглядит относительно случайным. Мы совсем не знаем, почему они именно такие и получили ли мы их в этой Вселенной в результате случайной «раздачи карт»; трудно сказать также, какую часть из «полной колоды» мы уже открыли (хотя очевидно, что не всю). Как бы то ни было, знания о картах, имеющихся у нас на руках, систематизируются следующим образом.

Прежде всего, полная колода получена объединением двух. У них разные рубашки:

Рабочий способ охарактеризовать две колоды – сказать, что все F составляют материю, а B являются переносчиками взаимодействий, т. е. служат для связи между разными частями материи[312]. В колоде F – карты трех мастей, а в колоде B никакого разделения по мастям нет (все карты в ней – что-то вроде козырей плюс еще один джокер).

Перевернем лицом вверх сначала карты из трехмастной колоды F. Значений карт (т. е. того, что определяет карту, помимо масти) там всего четыре; но это не двойка, тройка, четверка и пятерка (так их совсем никто не называет, даже я), а вот какие значения:

С учетом мастей карты из колоды F представлены на рис. В.1. Это, впрочем, определенное упрощение; чуть дальше мы увидим, что часть карт тут определенным образом «крапленые», но прямо сейчас это неважно.

Правила обращения с мастями особенно просты для первых трех значений карт (они выделены скобкой): «серые» и «темные» карты нельзя держать на руках. Крупье немедленно меняет каждую из них на более светлые карты, нередко добавляя карты с нулями. Правил обмена для одной и той же карты несколько, и то или иное выбирается случайным образом в соответствии с некоторыми вероятностями. Если в результате обмена карты из самой темной масти появилась серая карта (из числа выделенных скобкой), она, в свою очередь, обменивается. Каждый обмен – это превращение одной элементарной частицы в несколько других; в полном списке таких превращений – десятки возможностей, по несколько на одну элементарную частицу.

Рис. В.1. В колоде F карты четырех значений разбиты по трем мастям, которые показаны здесь как светлая, серая и темная

Серые и темные карты из выделенных скобкой представляют элементарные частицы, которые долго не живут: представители серой масти превращаются во что-то другое очень быстро, а представители более темной – еще быстрее. Происходит такое потому, что в природе «масти» отличаются друг от друга только массой элементарной частицы. Серая карта – копия светлой карты того же значения, но только со (значительно) большей массой, а темная – еще одна копия с (колоссально) большей массой. Общее же правило состоит в том, что более массивная элементарная частица претерпевает превращение всегда, когда ей есть во что превратиться – в набор менее массивных, перераспределив между ними свои значения (числа 2/3, –1/3 и –1, а также некоторые другие числа, здесь не указанные). При этом энергия mc2, которая содержалась в ее массе, уходит в массу новых частиц, а избыток – в их энергию движения, а суммарное значение карт после превращения остается таким же, каково было значение карты до превращения. Например, из исходной не могут получиться две или только карты с нулями. Значения карт 2/3, –1/3, –1 и 0 выражают электрический заряд, а он сохраняется, что бы ни происходило. В светлой масти для никаких вариантов превращений с соблюдением этих правил просто нет, и они ни во что и не превращаются[313]. Поэтому только они и участвуют напрямую в формировании вещества.

Я поддался картежному азарту и забыл сказать что-то важное. В колоде F есть еще антикарты. Это карты, представляющие античастицу для каждой элементарной частицы. Значение антикарты противоположно (в смысле дополнительного знака минус) значению карты; это означает, что заряды античастиц противоположны зарядам их частиц. Из-за этого антикарты легко отличать от карт во всех случаях, кроме одного – когда заряд равен нулю, потому что тогда у античастицы он тоже равен нулю. В этом случае мы будем проводить черту над нулем, 0. Но для ясности я во всех случаях снабжу антикарты еще небольшой звездочкой в правом верхнем углу. Антикарты тогда выглядят так, как показано на рис. В.2. В отличие от «регулярных» карт во Вселенной очень мало антикарт стоит только антикарте встретиться со «своей» картой, как они аннигилируют: пара заменяется на карты из колоды B (а потом могут случаться дальнейшие превращения).

Рис. В.2. В колоде F есть еще и антикарты

Имея под рукой антикарты, можно точнее показать, как карты более темных мастей превращаются в более светлые. (Превращения традиционно называют распадами, но это именно превращения, потому что получившиеся продукты не сидели в исходных частицах; все частицы элементарны в равной мере, и превращения, кстати, могут идти и в противоположную сторону, если для этого