Эволюция Вселенной и происхождение жизни
Шрифт:
В модели кварков барион состоит из трех кварков. Так, протон сложен из двух верхних кварков и одного нижнего кварка, а нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего кварка. Мезон же состоит из двух кварков, один из которых является обычной частицей, а второй — античастицей. Например, нейтральный пион — это комбинация верхнего кварка со своим антикварком, а положительный пион состоит из верхнего кварка и нижнего антикварка (рис. 18.7). В исходной кварковой модели был и третий кварк, названный странным кварком (strange quark). Он был нужен для объяснения так называемых странных частиц.
Рис. 18.7. Протон (слева) состоит из двух верхних кварков (u) и одного нижнего кварка (d). Справа показан пион (-мезон),
До начала 1970-х годов было достаточно трех видов кварков для объяснения всех известных адронов. Затем группа Бартона Рихтера из Стенфордского университета и группа Самюэля Тинга из Брукхейвенской национальной лаборатории открыли новую частицу, которая не укладывалась в систему Гелл-Манна и Цвейга. Рихтер назвал ее («пси»), а Тинг — J («джей»). Даже если частица J/ («джей-пси») является мезоном, ее масса примерно втрое превышает массу протона. Чтобы понять это, потребовалось ввести новый кварк, названный очарованным кварком (charm quark). Таким образом, J/ состоит из очарованного кварка и очарованного антикварка. Реальность очарованного кварка вскоре была подтверждена: обнаружились и другие частицы, в состав которых входит очарованный кварк.
Всего лишь через два года пришлось ввести еще один кварк, прелестный кварк (bottom quark). Группа под руководством Леона Ледермана из лаборатории им. Ферми близ Чикаго нашла частицу, названную и (ипсилон), масса которой в десять раз превышает массу протона. Это массивный мезон, комбинация двух кварков — прелестного кварка и прелестного антикварка. Последним кварком — хотелось бы в это верить! — стал истинный кварк (top quark), открытый в 1995 году в лаборатории им. Ферми. Таким образом, полное число кварков равно шести, как и число лептонов (или 12, если считать античастицы). Три из них — верхний, очарованный и истинный — имеют электрический заряд +2/3, а остальные три — нижний, странный и прелестный — обладают зарядом —1/3.
Удивительно, что из всех базовых частиц только четыре необходимы как строительные блоки для обычного вещества: из лептонов — только электрон и электронное нейтрино, а из кварков — только верхний и нижний. Остальные элементарные частицы, похоже, лишние. Эти четыре важнейшие частицы называются частицами первого поколения; остальные восемь от носят ко второму и третьему поколениям. Мы не знаем, почему природа копирует себя еще двумя поколениями частиц большей массы (врезка 18.1).
Врезка 18.1 Поколения частиц
Обычное вещество состоит из частиц поколения I: электрона, электронного нейтрино, верхнего и нижнего кварков. Массы (в массах электрона) указаны в скобках. Массы кварков сомнительны, массы нейтрино практически неизвестны. Заметим, что верхний и нижний кварки гораздо легче протона и нейтрона, которые из них состоят. Большая часть массы ядерных частиц обусловлена связью кварков друг с другом.
Что такое эта уже упомянутая слабая сила, действующая на нейтрино? В 1960 году Стивен Вайнберг из Гарвардского университета и Абдус Салам (1926–1996) из Имперского колледжа в Лондоне независимо предложили теорию, согласно которой слабая сила и электромагнитная сила являются двумя сторонами одного явления, получившего название электрослабое взаимодействие. Когда-то Максвелл доказал, что электрические и магнитные явления — это две стороны единого электромагнитного взаимодействия; а теперь в эту компанию попала и слабая ядерная сила.
Из теории Вайнберга-Салама следовал важный прогноз: слабую силу должны переносить сверхтяжелые частицы («W» и «Z» конце 1970-х годов в ЦЕРНе физики под руководством Карло Руббиа и Симона ван дер Меера начали работу по повышению энергии столкновения пучков настолько, чтобы могли родиться эти частицы. В январе 1983 года появились первые свидетельства о частице W, а через несколько месяцев была найдена и Z-частица.
W заряжена либо отрицательно, либо положительно и весит как 88 протонов, а частица Z нейтральна и немного тяжелее — ее масса примерно как у 99 протонов. Если вестник слабой силы имеет такую большую массу, то неудивительно, что сама эта сила такая слабая. Действие силы вызвано метаниями частиц-вестников туда-сюда. Тяжелая частица не может отлетать далеко, и она не может метаться слишком часто. Поэтому вероятность того, что проходящая мимо частица может столкнуться с одной из таких частиц-вестников — W или Z, очень мала, а значит, сила слаба.
На первый взгляд может показаться, что с добавлением к нашему списку еще трех более тяжелых частиц все только усложняется. Но оказалось, что это обеспечивает объединение электромагнитной и слабой сил, отчего существенно упрощается вся физическая картина. Мы видим, что электрослабая сила переносится четырьмя разными частицами: фотоном, положительным W, отрицательным W и Z. Поскольку у фотона нет массы, ее влияние простирается на огромные расстояния; остальные три «фотона» распространяют свою силу на очень короткое расстояние. Откуда эти «фотоны» берут свою массу, пока не ясно. Теория Питера Хиггса предсказывает существование «частиц Хиггса», которые пока не найдены (это одна из задач Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе). Именно они должны «давать взаймы» свою массу фотонам слабого взаимодействия.
Нобелевскую премию за идею объединения электромагнитной и слабой сил Вайнберг и Салам разделили с Шелдоном Глэшоу (Гарвардский университет), высказавшим идею о четырех типах фотонов в 1961 году. Руббиа и ван дер Меер были отмечены Нобелевской премией через год после открытия ими частиц W и Z.
С помощью кварков и слабой силы можно объяснить радиоактивное бета-излучение. В этом процессе внутри нейтрона один нижний кварк под действием слабой силы превращается в верхний кварк. В результате имевший нулевой заряд нейтрон становится положительно заряженным протоном. А отрицательно заряженный электрон и нейтрино с нулевым зарядом вылетают прочь, так что в этом процессе сохраняются электрический заряд и полная энергия. Эта реакция подчиняется одному из основных законов физики — закону сохранения электрического заряда. Полный заряд всех частиц до и после реакции должен оставаться неизменным. Излучаемое при бета-распаде нейтрино называют электронным нейтрино, поскольку оно связано с электроном. У него должна быть античастица — антинейтрино (рис. 18.8).
Рис. 18.8. Радиоактивный бета-распад. Нейтрон состоит из верхнего кварка и двух нижних кварков. Один из них выбрасывает наружу отрицательную W-частицу. При этом нижний кварк превращается в верхний кварк, а нейтрон становится протоном. Частица W распадается на электрон и антинейтрино.
Гравитационная сила тесно связана с кривизной и размерностью пространства. Оказывается, что силы в природе могут быть связаны с более высокими размерностями. Как мы можем определить количество пространственных измерений? Просто проведем прямые линии так, чтобы они были взаимно перпендикулярны друг другу. На листе бумаги вы можете начертить только две перпендикулярные друг к другу линии, поэтому на плоскости два измерения, плоскость двумерна. Можно представить третью линию, проведенную от плоскости прямо вверх, перпендикулярно тем двум линиям на плоскости; эта линия определит третье измерение (рис. 18.9). Но сколько бы мы ни старались, нам не удастся провести линию четвертого измерения, перпендикулярную трем уже имеющимся линиям. Таким образом, наше пространство имеет три измерения. Даже если четвертое пространственное измерение существует, оно скрыто от нас.