Космос и хаос. Что должен знать современный человек о прошлом, настоящем и будущем Вселенной
Шрифт:
Взаимодействие между двумя заряженными частицами (притягиваются они или отталкиваются, в данном случае роли не играет) представляет собой результат обмена большим числом так называемых виртуальных фотонов. В отличие от «реальных» частиц, их виртуальные сестры принципиально ненаблюдаемы, их невозможно зарегистрировать при помощи детектора. Поясним сказанное на примере. Вообразим себе некий закрытый контейнер, внутри которого ничего нет, – ни излучения, ни вещества. Другими словами, там содержится только вакуум, абсолютная пустота. Но чтобы удостовериться, что контейнер действительно пуст, мы должны осветить его нутро – послать туда луч света. А поскольку свет распространяется с конечной скоростью, процесс измерения займет некоторое время. Сказать с полной определенностью, что контейнер пуст, мы сможем только в тот момент, когда вернувшийся из контейнера световой пучок достигнет нашего детектора. При этом у нас нет никакой уверенности,
Разумеется, не все фотоны виртуальны. Кванты света, которые высвобождаются в результате перехода электрона с орбиты на орбиту, представляют собой вполне реальные фотоны. Аналогичным образом при соударении реального фотона с атомом электрон может перескочить на более удаленную от ядра орбиту. В этом случае энергия фотона будет поглощена. Итак, подытожим: электромагнитная сила действует между всеми частицами, несущими электрический заряд, а ее переносчиками являются виртуальные фотоны. А поскольку масса покоя фотона равна нулю, электромагнитное взаимодействие может передаваться на большие расстояния.
Слабое взаимодействие отвечает за некоторые превращения в мире элементарных частиц. Хороший пример сил этого типа – так называемый бета-распад нестабильных атомных ядер, в результате которого внутриядерный нейтрон превращается в протон, а из ядра вылетают электрон и антинейтрино. В слабом взаимодействии участвуют все частицы со спином 1/2 (то есть все фермионы), а его переносчиками являются тяжелые векторные бозоны со спином 1 (W+-бозон, W--бозон и Z0-бозон). Поскольку векторные бозоны – чрезвычайно массивные частицы (они тяжелее протона почти в 100 раз), слабое взаимодействие эффективно только на сверхмалых расстояниях порядка 10-16– 10-17см. Как уже говорилось, слабое взаимодействие удалось объединить с электромагнитным. Это было сделано в стандартной модели Вайнберга – Салама, о которой подробно рассказывается в главе «И тьма пришла». Слабое взаимодействие имеет самое непосредственное отношение к термоядерным реакциям, в ходе которых водород в звездных недрах превращается в гелий, а также к некоторым другим процессам, сопровождающим эволюцию звезд разных типов.
Сильное (или ядерное) взаимодействие удерживает кварки внутри нуклонов, а протоны и нейтроны – внутри атомного ядра, преодолевая силы кулоновского отталкивания (протоны имеют одноименный заряд). Как мы помним, существует шесть разновидностей (или ароматов) кварков – и-кварк, d-кварк, с-кварк, s-кварк, t-кварк и b-кварк. Их названия образованы от английских слов up – «вверх», down – «вниз», charm – «очарование», strange – «странный», truth – «правдивый» и beautiful – «прекрасный». Видимо, физиков утомили латынь и греческий, и они решили назвать фундаментальные кирпичи верхними, нижними, очарованными, странными, правдивыми и прекрасными частицами. Протоны и нейтроны представляют собой кварковые триплеты, однако в их состав входят только кварки двух ароматов – und. Протон построен из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон – из двух d-кварков и одного u-кварка. А поскольку d-кварк чуть увесистее u-кварка, нейтрон немного тяжелее протона. Разница в их зарядах (протон заряжен положительно, а нейтрон заряда не имеет) тоже объясняется особенностями внутреннего строения, так как кварки несут дробный электрический заряд (2/3 и -1/3). Таким образом, из трех кварков, два из которых имеют заряд плюс 2/3, а один – минус 1/3, получается протон с зарядом +1. А нейтрон состоит из одного кварка с зарядом 2/3 и двух с зарядом минус 1/3, поэтому в результате выходит ноль. Из кварков других типов (странного, очарованного, b и t) тоже можно строить частицы, но они оказываются нестабильными и быстро распадаются на протоны и нейтроны.
Кроме того, каждый кварк может находиться в трех различных состояниях, которые принято называть цветом (красный, желтый и зеленый). Разумеется, в действительности никакого цвета у кварков нет, это просто удобные общепринятые обозначения их свойств. Элементарные частицы состоят из кварков разных цветов, но всегда в таких комбинациях, чтобы в результате получилась бесцветная частица. Например, триплет «красный + зеленый + синий» окажется протоном или нейтроном. С наличием у кварков цвета тесно связано явление так называемого конфайнмента кварков («невылетания», «удержания» в переводе с английского). Дело в том, что кварки никогда не встречаются изолированно, а существуют в тесной кооперации друг с другом, в виде уже знакомых нам кварковых триплетов. Обнаружить отдельно взятый кварк не удалось пока еще никому. Если бы кварк вздумал обособиться и жить самостоятельно, он моментально приобрел бы цвет, что запрещено условиями задачи: конфайнмент обязывает их удерживаться в бесцветных комбинациях. Правда, при очень высоких энергиях сильное взаимодействие заметно ослабевает, и тогда кварки начинают вести себя почти как свободные частицы. Такая кварк-глюонная плазма существовала на ранних стадиях жизни нашей Вселенной.
Кварки удерживаются в триплетах за счет частиц-переносчиков сильного взаимодействия – глюонов (от английского glue – «клей», «клеить»), которые склеивают их между собой. Глюоны имеют нулевую массу и спин, равный единице. В отличие от всех прочих типов взаимодействий, ядерные силы не ослабевают по мере удаления кварков друг от друга, а напротив, растут. Глюоны можно уподобить тугим резинкам, соединяющим кварки между собой. Пока они располагаются бок о бок, резинки висят свободно, позволяя кваркам чувствовать себя сравнительно вольготно. Но стоит им попытаться отодвинуться друг от друга, как резинки немедленно натягиваются и возвращают озорников в исходное положение. Ядерные силы эффективны только на очень малых расстояниях порядка 10-13– 10-15сантиметров.
Нам осталось рассмотреть четвертый тип фундаментальных сил – гравитацию, которая носит универсальный характер и заставляет тела притягиваться друг к другу. Гравитационное взаимодействие – самое слабое из всех: сила электромагнитного отталкивания превышает стягивающую силу гравитации примерно в 1043раз. Однако слабость гравитационного взаимодействия с лихвой искупается огромными размерами небесных тел, состоящих из астрономического количества частиц, поэтому силы гравитации между планетами или звездами могут дать очень большую величину. Кроме того, если электромагнитные силы действуют только на заряженные объекты, то гравитация оказывает влияние на все без исключения тела и частицы нашей Вселенной, обладающие массой.
Переносчиком гравитационного взаимодействия является пока еще не открытая частица гравитон, которая должна иметь нулевую массу покоя и спин, равный двум. Как и электромагнетизм, гравитационное взаимодействие представляет собой дальнодействующую силу (фотон тоже безмассовая частица). Построение квантовой теории гравитации сопряжено с большими трудностями, поэтому гравитационные силы нередко рассматриваются как проявление метрики пространства-времени. Скажем, в рамках общей теории относительности гравитация эквивалентна искривлению пространства-времени. Подробнее об этих непростых вещах мы поговорим позже.
В заключение остается сказать, что у каждой элементарной частицы есть своя античастица – своего рода частица-двойник, обладающая той же массой, но зарядом противоположного знака (если частица заряда не имеет, то ее антипод несет противоположный спин). При столкновении частиц и античастиц происходит их взаимное уничтожение (аннигиляция) с выделением огромного количества энергии. Чаще всего конечным продуктом аннигиляции являются фотоны и пи-мезоны. О частицах и античастицах мы тоже еще не раз поговорим впоследствии.
Эхо Большого взрыва
И Томлинсон взглянул назад и увидал в ночи
Звезды, замученной в аду, багровые лучи.
И Томлинсон взглянул вперед и увидал сквозь бред
Звезды, замученной в аду, молочно-белый свет.
В конце первой главы рассказывалось о том, что звезды не распределяются в пространстве равномерно, но образуют более или менее компактные структуры (галактики), которые, в свою очередь, входят в состав скоплений и сверхскоплений, простирающихся на десятки миллионов световых лет. Наша Галактика (Млечный Путь) является одним из таких звездных островов и насчитывает примерно 200 миллиардов звезд (от 150 до 400 миллиардов, по разным оценкам). Если смотреть на нее с ребра, она имеет чечевицеобразную форму двояковыпуклой линзы, а в плане, при взгляде сверху, выглядит как плоский диск со сгустком в центре и отходящими от него спиральными рукавами. Галактика имеет довольно сложное строение. В ней принято выделять ядро, или балдж (от английского bulge – «выпуклость, вздутие»), диск и гало (галактическую корону). Ядро представляет собой компактный сферический компонент, окружающий галактический центр, где находится сверхмассивная черная дыра с массой от двух до трех миллионов масс Солнца. Плотность звездного населения около центра Галактики весьма высока: если в окрестностях Солнца на 16 кубических парсек приходится всего одна звезда, то в центре в одном кубическом парсеке содержится примерно 10 тысяч звезд. Однако плотность звезд в балдже быстро падает по мере удаления от центра: на расстоянии нескольких тысяч световых лет он уже практически неразличим. В ядре преобладают старые звезды с низким содержанием тяжелых элементов, а его масса оценивается в 20 миллиардов солнечных масс.