Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, ативещество и бозон Хиггса

Голдберг Дэйв

Верх планет и верх Солнечной системы не обязательно соответствуют друг другу. Например, полюса Земли наклонены на 23 1/2 градуса относительно полюсов эклиптики. А отклонение Венеры от оси составляет всего три градуса, да и вращается она в противоположную сторону, а значит, верх (если определять его по вращению, то есть спину, планеты) у Венеры более или менее там, где у Солнечной системы низ. Солнце на Венере восходит на западе.

Независимо от первоначальной точки зрения очевидно, что если повернуть Землю на один полный оборот (наверное, вы знаете, что это и есть сутки), она будет выглядеть точно так же, как в момент начала. Давайте выберем на Земле точку не вполне случайным образом — пусть это будет городок Эврика в области Нунавут в Канаде (широта 80° N, долгота 86° W).

Жители Эврики всегда знают, где у них север: от них до полюса примерно 1100 км в определенном направлении. А главное, это направление никогда не меняется.

Однако если вы умудритесь уменьшить корабль до субатомных размеров в духе «Фантастического путешествия» и остановите ваше уменьшенное судно над соответствующим местом электрона, результаты у того же эксперимента получатся совсем другие. Сверьтесь с компасом — и вы скорее всего обнаружите, что верх (север) находится от вас в одном направлении, но есть небольшая вероятность, что он лежит в противоположной стороне. Такая вот квантовая механика, что поделаешь. Измерить можно далеко не все величины, и все то, что казалось вам попросту невозможным, станет теперь разве что не очень вероятным. И возможные спины скажут нам гораздо больше о том, как функционирует частица того или иного типа, чем кажется на первый взгляд.

Не у всех частиц спины одинаковые

Наверное, вы помните, как съязвил Эрнест Резерфорд — сказал, что вся наука, кроме физики, это «коллекционирование марок». Это было в самом начале двадцатого века, и Резерфорд еще не знал, что и в физике есть очень многое от коллекционирования марок. Просто так вышло, что номиналы марок очень похожи на спины частиц.

Эксперименты показали, что у частиц каждого типа строго определенное количество спина — точно так же как они обладают строго определенной массой и зарядом. Подобно заряду, спины могут принимать лишь строго определенные значения. Более того, все типы частиц делятся ровно на две разновидности — на бозоны и фермионы. Чтобы вы не сошли с ума, я в конце книги поместил небольшую шпаргалку про элементарные частицы. Берите, не стесняйтесь.

У самых простых (по крайней мере, в том, что касается спина) частиц спин равен 1. Все, что касается спина, выражается в приведенных постоянных Планка с каким-то множителем (как мы уже видели, эта постоянная обозначается странненькой буквой ћ). Число это поразительно маленькое. Для сравнения укажу, что момент импульса у секундной стрелки в старинных напольных часах примерно в 10²⁹ раз больше.

Момент импульса у спина очень мал, но он есть. Если бы я запустил лучом поляризованного света (а фотоны — частицы, обладающие спином, равным 1) в Северный полюс, то в конечном итоге мог бы остановить вращение Земли. С другой стороны, для такого луча мне потребовалось бы примерно 10⁶⁸ фотонов, в несколько сотен тысяч раз больше, чем то количество, которое испустит Солнце за все время своего существования.

Частиц со спином-1 довольно много, и у них всех есть нечто общее. Фотон — переносчик электромагнитного взаимодействия, глюон — переносчик сильного взаимодействия, а частицы, не слишком изобретательно именуемые W— и Z-бозоны, — переносчики слабого взаимодействия. Чувствуете закономерность?

Все частицы со спином-1 (или со спином, представляющим собой любое целое число) известны под именем бозоны, и у них очень много общего — отнюдь не только роль переносчика.

Частицы со спином-1 называются так потому, что для того, чтобы частица стала выглядеть так же, как и в момент начала вращения, ей нужен ровно один оборот. И хотя вашему непривычному мозгу может показаться, что так и должно быть, не время себя поздравлять. Далеко не у всех частиц спин равен единице.

Помимо частиц-посредников, есть еще несколько

видов бозонов. Например, бозон Хиггса, о котором мне еще будет что сказать в следующей главе, а также (возможно) крайне неуловимая частица под названием гравитон. Если гравитон существует, а мы в этом не уверены, поскольку у нас нет квантовой теории гравитации, он будет частицей со спином-2. Объект со спином-1 выглядит так же, как в момент начала вращения, после одного полного оборота, а объект со спином-2 — после половины оборота [87] . Именно такова симметрия архитектуры спиральных галактик. Ну, примерно таких, какие появляются в финале кинофильма «Империя наносит ответный удар».

87

Мой адвокат по физическим делам настоял, чтобы я сделал следующее предупреждение. Хотя частицы со спином-1 на самом деле выглядят одинаково после каждого полного оборота, а частицы со спином- 1/2 выглядят одинаково после двух оборотов, из этого не следует, что частицы со спином-2 выглядят одинаково после половины оборота. Все несколько сложнее. К тому же для объяснения пришлось бы сделать гигантское отступление от темы.

Целочисленные спины говорят нам не только о том, что та или иная частица — переносчик взаимодействия, они говорят еще и о том, как именно эта частица служит переносчиком. Частицы с нечетным спином (фотоны, глюоны и т. д.) всегда создают силы отталкивания между частицами с одинаковым зарядом. Например, у двух электронов одинаковый заряд, и они отталкиваются из-за электромагнитных сил.

Частицы-переносчики взаимодействий с четным спином, если они и в самом деле существуют, ведут себя наоборот, то есть частицы с одним и тем же зарядом будут притягиваться.

Поскольку масса в гравитации (частица-переносчик со спином-2) — эквивалент заряда, а массы всех частиц или положительные, или равны нулю, это просто красивый способ показать, что гравитация притягивает. Но это-то мы и так знаем.

Однако бозоны — это только полдела. А что можно сказать о частицах, из которых состоите лично вы?

Дирак, антивещество и фермионы

Еще в 1905 году Эйнштейн показал, что вещество можно превратить в энергию и наоборот, однако он не знал точно, как именно происходит эта алхимия. В 1928 году Поль Дирак попытался подчистить уравнения квантовой механики в релятивистской вселенной и в процессе сделал фантастическое открытие: частицы — это не нечто незыблемое. На высоких скоростях электроны способны расщепляться и размножаться на дополнительные частицы и античастицы, причем, как и все в относительности, это полностью зависит от точки зрения.

Поскольку измерить полностью все параметры одного электрона невозможно, Дирак обнаружил, что недостаточно просто описать, где электрон находится. На месте электрона он обнаружил целую кучу взаимосвязанных квантовых волн, общим числом четыре. После нескольких неудачных попыток эти варианты решений были истолкованы как электрон со спином вверх, электрон со спином вниз, позитрон со спином вверх и позитрон со спином вниз. Дирак сделал вывод, что какой-то один получить невозможно — только все четыре сразу. А точнее, чтобы правильно понять, что такое электрон, нужно смириться с мыслью, что у него много разных сторон и личин. Ну, примерно как у Мистик из «Людей Икс». Или у Кришны — в зависимости от вашего культурного уровня.

Эта простая суперпозиция говорит нам больше, чем можно было бы ожидать. Напомню на всякий случай, что слово «квантовый» в квантовой механике означает, что всякие штуки вроде энергии, заряда и момента импульса уже не те, что прежде, нравится вам это или нет. Если электрон переходит от одного спина к другому, например, эти состояния всегда различаются ровно на единицу и никак иначе. Есть только один симметричный способ приписать спину значения «вверх» и «вниз» так, чтобы они различались ровно на единицу: сделать их + 1/2 для спина вверх и — 1/2 для спина вниз.