могут спросить: позвольте, если частицы с одинаковым зарядом отталкиваются, то почему же положительно заряженные протоны в ядре не разлетаются к чертям, и в мире не наступает конец света?
На самом деле это чертовски хороший вопрос, и ученые в прошлом веке им серьезно озадачились. Им нечего не оставалось, как предположить, что в ядрах существуют некие силы, которые удерживают протоны вместе вопреки электромагнитному отталкиванию. Догадка была озвучена еще в 1930-х годах, но только к 1970-м годам гипотеза превратилась в хорошую проверенную теорию.
Ученые оказались правы. Такие частицы как протоны состоят из кварков, и между кварками на очень близком расстоянии возникает второй вид фундаментального взаимодействия, названный сильным.
В ядре атома гелия электрическая сила отталкивания между двумя протонами составляет 22.5 килограмма, но ее запросто «побивает» иной тип взаимодействия. Теперь понятно, почему сильное взаимодействие называется сильным (название, кстати, не слишком удачное, особенно в русском языке, в иноземном языке используют слово strong).
Сильное взаимодействие примерно в тысячу раз сильнее электромагнитного. Так как же протоны преодолевают отталкивание?
Дело в том, что взаимодействие, как уже сказано, происходит не между самими протонами, а между их составляющими — кварками. Это кварки постоянно и очень активно обмениваются частичками-волнами (квантовая физика, увы), называемыми глюонами (от английского слова «клей», между прочим). Обмен глюонами происходит не только между своими кварками в протоне, но и с кварками соседнего протона. Дружба семьями, понимаете ли, не разлей вода! И кстати, чем дальше вы пытаетесь «раздвинуть» кварки, тем сильнее становится взаимодействие (внимание, умное слово — «конфайнмент»). В какой-то момент энергия, которую вы прилагаете для разрыва кварков, станет настолько большой, что природа прекратит издевательство и создаст из накачанных энергией глюонов новую пару «кварк-антикварк», в итоге рождается новая частица, какой-нибудь мезон, а там уже электромагнитные силы перехватывают эстафету. Умно! На сегодняшний день ученые не очень хорошо понимают, как это работает: эксперименты и еще раз эксперименты. Но ничего — то ли еще будет.
Раздел физики с жутким названием «квантовая хромодинамика» насчитывает восемь типов глюонов, в то время как трудяга фотон — один на все случаи жизни. А всё потому, что кварков много, и одного типа глюона на них всех маловато, физики таким образом могут рассуждать о восьми видах глюонных (цветных) полей — как вам такой поворот?
Глюоны как и фотоны не имеют массы, а их существование было впервые подтверждено на коллайдерах в конце 70-х годов прошлого века. Это был успех! А физика микромира становилась все безумнее и безумнее.
3
Что ж, казалось бы, все проблемы физики ядра решены. Ага, щас! Ученые внимательно изучали распад некоторых частиц и заметили, что там в результате не хватает каких-то мельчайших миллиардных долей энергии. Святые угодники, у нашего бухгалтера миллионы в балансе не сходится, и она одной правой выравнивает перекос, рисуя пару нулей. А тут несущественная разница: подумаешь, электрон вылетает не с той скоростью. Но ученые на то и ученые. Видите ли, известный всем нейтрон порой ни с того ни сего разваливается на протон, электрон и нейтрино. Причем, как мы знаем из предыдущей лекции, он не состоит из этих запчастей — упомянутые частицы возникают в процессе распада. Если сильное взаимодействие удерживает кварки внутри частицы так, что глюонное поле не порвать, какого лешего происходит?
Ответственным за причины этой трагедии назначили новый вид взаимодействия, который, конечно же, назвали еще оригинальнее: слабым взаимодействием. Описать его механизм задачка не из легких, поэтому мы, как обычно, пропустим матчасть. Скажем лишь, что там та еще мелодрама с кварками и лептонами, в результате которой частицы превращаются в другие частицы, отчего дружная семейка ссорится и разъезжается подальше друг от друга. Всё это происходит на расстояниях еще более коротких, чем при сильном взаимодействии. А за перенос взаимодействия ответственны три частицы-переносчика, название которым не придумали, и среди ученых они известны как векторные бозоны (с положительным зарядом W+, с отрицательным зарядом W- и без заряда Z0). Вон там наш художник нарисовал картинку для тех, кто любит мыльные оперы.
Снова важное замечание, чтобы вы понимали парадоксальность полей. Масса нейтрона составляет примерно 1 ГэВ (это электрон-вольты, в них измеряют одновременно массу и энергию). А масса векторных бозонов почти в сто раз больше. W-бозон имеет массу около 80 ГэВ, а Z-бозон — 90 ГэВ. Замечаете несоответствие законов сохранения? Опять же по этой причине такие частицы называются виртуальными: они мгновенно рождаются и исчезают незамеченными. И только на коллайдерах или в космических лучах (всякий мусор летящий от звезд) при столкновениях происходит срыв простыней, и массы бозонов возможно зафиксировать и посчитать. Поэтому слабое взаимодействие долго не могли обнаружить экспериментально.
Кроме того, слабое взаимодействие нарушает глубинные законы симметрии — это касается того, что с какого-то перепугу электронам важно в какую сторону лететь при распаде нейтронов — отчего у физиков шевелятся волосы на голове, и они реально боятся, что есть небольшой, но серьезный шанс переписать всю физику заново. Хотя с другой стороны косяк в симметриях может объяснить кое-какие непонятки в создании Вселенной (типа вопросов, куда делась антиматерия и так далее) и объясняет, зачем нам нужен бозон Хиггса.
Несмотря на то, что слабое взаимодействие мало известно обывателю, лишь благодаря ему наше Солнышко ласково светит в небе (слабое взаимодействие участвует в той самой хитрой реакции превращения 4-х ядер водорода в ядро гелия).
Когда-то давно ученые объединили магнитное и электрическое взаимодействия в одно — электромагнитное. А к настоящему времени мегамозги предлагают объединить сразу все три вышеописанных взаимодействия в один тип.
Они уже смогли свести электромагнитное и слабое в единое — электрослабое взаимодействие. Экспериментально выяснилось, что на высоких энергиях, когда всё очень горячее и быстрое, слабое и электромагнитное взаимодействие сливаются в единую силу. Грубо говоря, фотон и бозон слабого взаимодействия становятся неотличимы.
Теперь остается втиснуть в эту компанию сильное взаимодействие, но пока получается не очень, уравнения не сходятся, погода не лётная, денег мало и так далее. Для прорыва нужные кое-какие недоказанные явления и допущения. А очень хочется взять и предъявить миру Теорию Великого объединения!
Предполагается, что исторически различия во взаимодействиях стали проявляться по мере развития Вселенной. Когда случился Большой Взрыв — взаимодействие было всего одно, но Вселенная бодренько разлеталась, потихоньку остывала, и взаимодействия начали оформляться в те виды, что мы знаем сейчас. Как три близнеца с возрастом