Виктор Стенджер - Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса
Самая известная реакция слабого взаимодействия — бета-распад ядра, при котором испускаются электрон и антинейтрино. В стандартной модели в этот фундаментальный процесс вовлечены кварки внутри нуклонов (протонов и нейтронов), которые, в свою очередь, взаимодействуют внутри ядра:
d → u + e- + ν-e. Рис. 11.2. Электрон и позитрон сталкиваются и аннигилируют, образуя Z-бозон, который затем воссоздает эту пару. Авторская иллюстрацияЧтобы понять, какую роль в этом играет W-бозон, обратитесь к рис. 11.3.
Рис. 11.3. Бета-распад d-кварка. Здесь d-кварк распадается на бозон W- и u-кварк. W- пролетает небольшое расстояние (около 10-18 м), а затем распадается на электрон и антинейтрино электронное. Авторская иллюстрацияЧастица, обозначенная в табл. 11.1 буквой g, — это глюон. Было обнаружено восемь различных состояний так называемого цветового заряда глюона, который аналогичен электрическому, но имеет восемь вариантов, метафорически называемых цветами. 1люон является посредником в сильном ядерном взаимодействии, ответственном за удержание нуклонов в ядре. Только кварки взаимодействуют посредством этой силы. В стандартной модели сильное взаимодействие описывается квантовой теорией поля, которую Фейнман назвал квантовой хромодинамикой.
Из сотен новых частиц, открытых в 1960-е, большинство были подвержены сильному ядерному взаимодействию. Этим частицам соответствует родовое понятие адроны. Было обнаружено два типа адронов: барионы, с полуцелым спином, и мезоны, имеющие целый спин. Протон и нейтрон являются барионами. Самый легкий мезон — это пион, или π-мезон, имеющий три варианта заряженного состояния: π+, π0 и π. Свою докторскую работу я посвятил К-мезонам, или каонам, имеющим четыре разновидности: К+, К-, К0, К-0. Они состоят из пар «кварк — антикварк», один из которых — это s-кварк или его античастица. Рассматривать эту тему подробнее нужды нет.
Все адроны, кроме нуклонов, очень нестабильны, некоторые имеют настолько короткое время жизни, что едва успевают пересечь ядро атома, прежде чем распасться. Нейтрон нестабилен, поскольку подвержен бета-распаду, его среднее время жизни составляет порядка 15 минут. Хотя большинство ядер имеет в составе нейтроны, они стабильны, поскольку закон сохранения энергии предохраняет их от распада. В открытом космосе сейчас можно обнаружить не так уж много свободных нейтронов (или других адронов, за исключением фотонов), лишь небольшое количество, которое на мгновение появляется в ходе высокоэнергетических столкновений частиц в космических лучах.
Очевидно, что протон очень стабилен, иначе мы бы не наблюдали столько водорода во Вселенной через 13,8 млрд. лет после ее рождения. Однако, как мы вскоре увидим, потенциальная способность протонов распадаться, хоть и спустя большое количество времени, имеет огромные космологические последствия.
Стандартная модель элементарных частиц и взаимодействий появилась отчасти благодаря попытке уложить все эти новые частицы в простую схему. Ее ожидал впечатляющий успех. Вот эта схема: барион состоит из трех кварков, антибарион состоит из трех антикварков, мезон состоит из кварка и антикварка. Пока не было обнаружено ни одного адрона, который нельзя было бы составить из кварков, перечисленных в табл. 11.1, и их антикварков.
Ядра атомов, образующих знакомую нам материю, состоят из u- и d-кварков. Протон имеет кварковый состав uud, а нейтрон — udd. Любой физический объект, с которым мы имеем дело в повседневной жизни, и любой объект, с которым работают ученые всех специальностей, кроме физики частиц и астрофизики частиц, состоит всего из трех элементарных частиц. Это u- d-кварки, образующие ядра атомов, и электроны, облака которых летают вокруг, формируя атомы.
Открытие в 2012 году частицы, которая почти наверняка является долгожданным бозоном Хиггса, стало «вишенкой на торте» стандартной модели. Бозон Хиггса — частица с нулевым спином, обозначаемая Н, — придает массу лептонам и слабым бозонам. Кварки получают небольшую долю своей массы таким же образом, но большая ее часть возникает благодаря другому механизму, в котором участвует сильное взаимодействие, подробнее описывать которое излишне. Фотон и глюон — безмассовые частицы.
Теперь давайте рассмотрим теоретические построения, лежащие в основе стандартной модели. Мы увидим, что они распространяются далеко за пределы этого отдельного случая, охватывая все наши представления о смысле физических законов.
Симметрия и инвариантность
Центральными понятиями современной физики, от теории относительности и квантовой механики до стандартной модели, являются принципы симметрии и то, каким образом эти принципы нарушаются. Принципы симметрии очень помогли нам в понимании Вселенной — как ранней, так и современной.
Симметрия тесно связана с еще одним понятием — инвариантностью. Идеальная сфера инвариантна в отношении вращения по любой оси. То есть она выглядит одинаково под любым углом. Поэтому мы говорим, что она обладает сферической симметрией.
Если взять сферический шар, состоящий из мягкого и податливого вещества (подобно земле), и начать быстро вращать его, он начнет раздуваться в области экватора и его сферическая симметрия нарушится. Однако мяч все еще будет сохранять вращательную симметрию относительно оси вращения.
Но здесь нас больше интересуют не симметрии геометрических фигур, а симметрии, заключенные в математических принципах, называемых «законами физики». Это принципы, возникающие в моделях, которые физики разрабатывают, чтобы описывать свои наблюдения.
Если наблюдение инвариантно в отношении какого-то действия, скажем изменения угла обзора, под которым проводится наблюдение, то модель, должным образом описывающая это действие, должна заключать в себе соответствующую симметрию. В частности, в этой модели не может действовать трехмерная система координат, в которой оси X, Y, Z соответствуют определенным направлениям.
В 50-х годах XX века ученые доказали, что слабое ядерное взаимодействие нарушает зеркальную симметрию, которую специалисты называют четностью. Это значит, что слабые ядерные взаимодействия не инвариантны относительно перемены слева направо и наоборот, в точности как ваши руки (или лицо, если уж на то пошло). С точки зрения математики оператор P, называемый оператором четности, изменяет состояние системы на его зеркальное отражение.
Физика частиц выделяет также оператор С, который заменяет частицу ее античастицей, и оператор T, запускающий время в обратном направлении. В 1960-х ученые открыли, что комбинированная СР-симметрия слегка нарушается при распаде нейтральных каонов. Комбинированная СРТ-симметрия считается фундаментальной. В этом случае нарушение СР-симметрии предполагает нарушение Т-симметрии. Прямое нарушение Т-симметрии эмпирически подтвердилось; однако нарушение СРT-инвариантности до сих пор не наблюдалось ни в одном физическом процессе.
Заметьте, что нарушение Т-симметрии не стоит трактовать как обоснование для концепции стрелы времени, поскольку этот эффект очень мал — порядка 0,1% и не препятствует обращению направления времени. Оно просто делает одно временное направление несколько более вероятным, чем второе.
СРТ-инвариантность означает, в частности, что, если взять любую реакцию, заменить все частицы в ней античастицами, запустить ее в обратном направлении и наблюдать ее в зеркало, вы не сможете отличить эту реакцию от изначальной. Сейчас похоже, что это так.
Кратко говоря, законы физики не только подчиняются определенным симметриям, некоторые из них (но не все) могут также нарушать какие-то виды симметрии, как правило, спонтанным образом, то есть случайно.
Это можно сравнить с подростковой игрой «в бутылочку». Мальчик раскручивает на полу бутылку, сидя в центре круга из девочек. Бутылка имеет вращательную симметрию относительно вертикальной оси. Но, когда сила трения заставляет ее остановиться, симметрия спонтанным образом нарушается и горлышко бутылки случайным образом указывает на конкретную девочку, которую мальчик должен поцеловать.
Симметрии и законы физики
Как мы знаем из главы 6, в 1915 году Эмми Нётер доказала, что три великих физических закона сохранения: линейного момента, момента импульса и энергии — автоматически подчиняют себе любую теорию, которая включает трансляционную симметрию пространства, вращательную симметрию пространства или трансляционную симметрию времени соответственно. Законы сохранения не ограничивают возможности поведения вещества в том виде, в каком эти законы обычно описываются на уроках и в учебниках по физике. Они ограничивают возможности физиков. Бели физик хочет создать модель, которая будет работать в любой точке времени и пространства и под любым углом, у него нет выбора. Такая модель автоматически будет заключать в себе три закона сохранения.
