Королевство элементарных частиц. Часть II

Продолжаем рассказ о королевстве элементарных частиц! Раз уж мы разобрались с видами взаимодействий и их непосредственными участниками, пора поговорить и о тех самых гонцах, которые эти взаимодействия и переносят. В качестве таких переносчиков выступают бозоны (те самые частицы с целым спином, которые любят собираться вместе). Основных гонцов насчитывается пять штук: фотон, глюон, Z- и W-бозоны (два типа). Особняком стоят бозон Хиггса (обнаруженный совсем недавно на Большом Адронном Коллайдере) и гравитон (предсказанный теоретически но еще не обнаруженный).

Гонцы нашего королевства - переносчики фундаментальных взаимодействий!

Гонцы нашего королевства - переносчики фундаментальных взаимодействий! © Анастасия Белых

У фотонов, глюонов и загадочных гравитонов есть несколько общих свойств. Эти гонцы настолько шустрые, что движутся со скоростью света. Это вам не Почта России! Еще у них нет массы покоя, а электрический заряд равен нулю. А теперь по-отдельности:

Фотон – переносчик электромагнитного взаимодействия. Впервые мы узнаем о фотоне, как о кванте света. Количество фотонов во Вселенной больше всех остальных частиц. Понаехали! Также, как и многим другим частицам, фотонам свойственна шизофрения, ой, квантово-волновой дуализм! Т.е. он может быть и частицей, и волной, по-разному проявляя себя в различных экспериментал. Забавно, что носитель электромагнитного излучения не имеет заряда. Кроме того, если бы не фотоны видимого света, прилетающие в наши глаза, то не видели бы мы окружающего нас мира.

Глюон – переносчик сильного взаимодействия. В отличие от фотона, глюоны притягивают друг друга и образуются глюболы. В таком состоянии они не могут преодолевать большие расстояния. Именно поэтому их действие ограничено ядром атома и за его пределами глюонов вы не найдете. Их просто не бывает в свободном состоянии. Уж больно они домашние товарищи. (хотя в последнее время активно изучается новое экзотическое состояние вещества - кварк-глюонная плазма)

W- и  Z- бозоны – переносчики слабого взаимодействия. Ну просто уникальные товарищи! Во-первых, у них есть масса. Во-вторых, в коем-то веке для переноса взаимодействия нужно целых три гонца! В-третьих, W-бозоны обладают электрическим зарядом! Это очень необычно для физики, в которой в большинстве случаев присутствует некоторая симметрия. А именно симметрия законов физики. Например, она просматривается в законе сохранения энергии или законе сохранения электрического заряда. Как говорилось в одной замечательной книге: «В целом физики понимают под симметрией вот что: можно менять параметры системы, но физика, которая стоит за ней, не меняется при этом ни капельки». Казалось бы, у всех наших дорогих бозончиков не должно быть массы, ведь симметрия и все такое. А вот ничего подобного! Еще одной занимательной особенностью слабого взаимодействия является "слабая симметрия". Заключается она в том, что если в результате какой-либо реакции образуется нейтрино, то к этому причастен электрон (и наоборот). Есть гипотеза, что такие реакции возможны именно благодаря полям, создаваемым W- и  Z- бозонами.

Хронология возникновения взаимодействий и их переносчиков.

Хронология возникновения взаимодействий и их переносчиков.

На этом список стандартных гонцов заканчивается, но остаются два весьма занимательных персонажа.

Первый из них - бозон Хиггса, являющийся квантом поля Хиггса. Ох, сколько ученые намучились, доказывая существование этого гонца! Его поймали совсем недавно, в 2012 году. Более того, его открытию придавали такую важность (еще бы - последний недостающий элемент Стандартной Модели), что он был назван частицей Бога. Произошло это с легкой руки физика Леона Ледермана и его книги «Частица Бога: если Вселенная — это ответ, то каков же вопрос?». На самом деле автор хотел назвать бозон Хиггса «чертовой частицей», но редакция не приняла такое предложение.  Этот бозон родился одновременно с W- и  Z- бозонами в эпоху электрослабых взаимодействий. И вместе эти экзотические ребятки стали инициаторами нарушения симметрии. Поле Хиггса отличается от других полей тем, что не несет в себе силы. Его функция заключается в том, что он делает частицы массивными.  Он-то и замешан в массивности троицы, о которой мы говорили ранее. Дело в том, что по мере остывания Вселенной поле Хиггса стало действовать на W- и  Z- бозоны, наделив их массой. А вот фотоны этому подвержены не были. И, если продолжить аналогию с бозоном Хиггса, выступающим в роли частицы Бога, то выходит, что W- и  Z-бозоны – святая троица!

Сейчас принято считать, что поле Хиггса дает массу практически всем частицам. А с чего же начинались поиски этого гонца? Однажды троим ученым было настолько скучно, что они задались любопытным вопросом: откуда может возникнуть масса у элементарных частиц? Этими учеными были Роберт Браут, Франсуа Энглер и Питер Хиггс. Особенно их беспокоил фотон, который из-за симметрии в электродинамике массы иметь просто не может. Для решения этой задачи они стали исследовать элементарные частицы, которые массу имеют. В ходе этих поисков и появилась теория о существовании бозона Хиггса. Его начали ловить еще в 70-х годах. Но подходящий «невод» для этой квантовой рыбки появился лишь в 2000-х - им стал Большой Адронный Коллайдер. Кстати, поле Хиггса еще называют полем Энглера — Браута — Хиггса за заслуги всех трех ученых. Но почему же бозон чаще зовут именем только одного из трех ученых? Потому что именно Хиггс понял, что у поля имеется свой квант-переносчик. (Кстати, если хотите лучше понять суть бозона Хиггса, рекомендуем это видео)

Бозон Хиггса настолько знаменит, что о нем рассуждают даже в Симпсонах!

Бозон Хиггса настолько знаменит, что о нем рассуждают даже в Симпсонах!

Разобравшись с бозоном Хиггса, настала пора поговорить и о самом неуловимом бозоне. Бозоне – ниндзя, секретном агенте и просто душке. Легендарный гравитон, чье существование все еще сомнительно, но позволило бы создать "теорию всего", объединив гравитацию с квантовой физикой. Почему о гравитационном поле знает каждый, а о его переносчике почти ничего не известном? А может его и не существует вовсе? Начнем с привычной нам гравитации. При этом слове мы тут же вспоминаем о ньютоновском яблоке и знаменитых трех законах, которыми можно описать большинство явлений в нашем мире. Большинство, но не все. Благодаря нему мы знаем, что все предметы во Вселенной друг друга притягивают, и то, что чем они дальше друг от друга – тем слабее притяжение. А вот в чем суть силы тяжести разбирался уже Альберт Эйнштейн. И создал так называемую общую теорию относительности - универсальную теорию гравитации. В ней говорится, что гравитация обусловлена не взаимодействием между полями и телами, а деформацией пространства-времени! И деформируется оно за счет массы-энергии.

Последние годы своей жизни Эйнштейн отчаянно пытался найти более фундаментальную теории, описывающие все существующие взаимодействия (и объединяющую теорию относительности с квантовой механикой). К сожалению, сделать это ему не удалось, однако поиски продолжаются! В качестве примера взглянем на две таких теории, в одной из которых гравитон присутствует, а в другой – нет.
Теория струн (М-теория)
Она говорит о том, что все элементарные частицы вовсе не точки, а петли, которые вибрируют. И чем сильнее они это делают, тем больше их масса. Самое интересно, что в данной теории струны колеблются не в трех измерениях (четырех, если брать в расчет время), а в гораздо большем количестве измерений. По версии физика-теоретика Эдварда Уиттена - их целых десять! М-теория основана на общей теории относительности, а в ней гравитация объясняется искривлением пространства-времени за счет энергии. И нет там никакого гравитона вовсе! И, вроде интересная теория, которая имеет множество сторонников среди ученых, но в некоторых случаях она бессильна. Например, до сих пор не предложено ни одно эксперимента, который мог бы ее подтвердить или опровергнуть.

Петлевая квантовая теория гравитации
Для ее объяснения существует интересная аналогия. Представьте, что пространство – простыня. Но она вовсе не сшита из ниточек, а состоит из множества петелек, состоящих из квантов. И простыня эта будет квантовым полем. Здесь пространство-время состоит как бы из маленьких ячеек. И гравитационное взаимодействие осуществляется не за счет искривления пространства-времени, а за счет гравитонов.

Созданием "теории всего" занимался и известный физик-теоретик Стивен Хокинг. Об этом даже сняли одноименный фильм.

Созданием "теории всего" занимался и известный физик-теоретик Стивен Хокинг. Об этом даже сняли одноименный фильм.

Все это на самом деле куда сложнее и запутаннее, да вы и так уже наверняка запутались. А давайте на секунду опустим все эти непривлекательные термины и добавим немножко романтики (физики, берите на вооружение!). Почему если у нас есть частица Бога, то не может быть частицы любви? Люди ведь притягиваются друг к другу во многих смыслах, а не только как объекты в пространстве. Есть же теория о том, что все в мире можно объяснить с помощью физики. Является ли любовь исключением? И если нет, то может ли гравитон быть ее переносчиком? То, что люди не могут увидеть гравитационное поле еще не значит, что его нет, верно? А вот с чувствами тоже самое.  Почему бы квантовой физике не быть романтичной? Вы только послушайте: «Во время Большого взрыва, все атомы во Вселенной сжались в одну точку и взорвались, так что и наши атомы, когда-то были вместе и сталкивались как минимум несколько раз за прошедшие 14 миллиардов лет. ».

Самые лиричные физики могут продолжить эти философские рассуждения вопросами о свободе выбора, понятии души в "теории всего" и ее строении, а также о перерождение души человека в звезды и черные дыры, беспощадно искривляющие пространство-время... К чему это я? А к тому, что на некоторые, касалось бы философские вопросы, помогает найти ответы любимая нами физика. И она вовсе не такая суровая и страшная, как может показаться на первый взгляд. Что касается элементарных частиц и квантов – это просто неделимая порции материи и энергии, а не ужасные штуки, которую невозможно постичь. Эти малыши и правят нашей Вселенной. И лучше не боятся их, а дружить. Быть может именно они помогут нам найти ответы на главные вопросы мироздания.

Анастасия Белых, специально для MakeItQuantum

Комментарии: