Обменные процессы такого рода происходят, несмотря на недостаточное количество энергии для возникновения мезона. Причину следует искать в «квантовом эффекте», связанном с принципом неопределенности. Как уже говорилось выше, субатомные явления, происходящие в течение небольшого промежутка времени, характеризуются большой неопределенностью в энергетическом отношении. Мезонные обмены, т. е. возникновение и уничтожение мезонов, тоже относятся к таким процессам. Их течение столь кратковременно, что неопределенность энергии достаточно велика для возникновения мезонов. Последние называются «виртуальными» частицами. Они отличаются от «настоящих», возникающих при столкновениях, тем, что могут существовать недолго в силу принципа неопределенности. Чем тяжелее мезоны (чем больше энергии необходимо для их возникновения), тем короче процесс обмена. Поэтому нуклоны могут обмениваться тяжелыми мезонами, только когда находятся на очень небольшом расстоянии друг от друга. А обмен виртуальными фотонами может иметь место и на большом удалении, поскольку фотоны в силу нулевой массы покоя возникают при наличии бесконечно малых энергий. Анализ ядерных и электромагнитных сил, проведенный японским физиком Хидэки Юкава[206] в 1935 г., позволил не только предсказать существование пиона за 12 лет до его экспериментального обнаружения, но и приблизительно оценить его массу исходя из величины ядерной силы.
Квантовая теория поля изображает все взаимодействия как процессы обмена виртуальными частицами. Чем сильнее взаимодействие между частицами, тем вероятнее обмен и тем чаще он происходит. Но роль виртуальных частиц не ограничивается участием в подобных взаимодействиях. Их может испускать любой нуклон, который вскоре затем ее поглощает. Ничто не может помешать этому при условии, что возникший мезон исчезает за время, определяемое принципом неопределенности. На рисунке 37 приведена диаграмма Фейнмана, на которой изображен процесс испускания и уничтожения пиона.
Рис. 37. Нейтрон (n) испускает и вновь поглощает пион
Вероятность таких процессов, получивших название «самовзаимодействия», для нуклонов очень велика: они находятся в сильном взаимодействии. Нуклоны испускают и поглощают виртуальные частицы постоянно. Теория поля рассматривает их как центры постоянной активности, окруженные «облаками» виртуальных частиц. Виртуальные мезоны «живут» совсем недолго, поэтому не могут удалиться на большое расстояние от нуклона. Мезонное облако очень невелико. Внешние области облака заполнены легкими мезонами (главным образом пионами), а более тяжелые поглощаются нуклоном быстрее, поэтому подвергаются «прижиманию» ближе к центру облака.
Каждый нуклон окружен облаком виртуальных мезонов, которые существуют очень недолго. Но при некоторых условиях они могут превратиться в мезоны реальные. Если нуклон сталкивается с другой частицей, движущейся с высокой скоростью, кинетическая энергия этой частицы может перейти к виртуальному мезону и оторвать его от облака. Таков механизм образования настоящих мезонов при столкновении частиц с участием высоких энергий. Два нуклона могут сблизиться настолько, что их облака частично перекроются друг с другом, и тогда некоторые виртуальные частицы могут не возвращаться к тому нуклону, который их испустил, а «перепрыгнуть» в соседнее облако и быть поглощенными другим нуклоном. Таков механизм обмена частицами при сильных взаимодействиях.
Ясно, что взаимодействия частиц, а следовательно, и силы, действующие между ними, зависят от состава виртуальных облаков этих частиц. Дистанция взаимодействия, т. е. расстояние между частицами, при котором оно возникает, определяется свойствами частиц, составляющих облака. Например, электромагнитные силы зависят от наличия виртуальных фотонов «внутри» заряженных частиц, а сильные взаимодействия между нуклонами происходят в результате присутствия «внутри» последних виртуальных пионов и других мезонов. Теория поля рассматривает силы, действующие между частицами, как исходные свойства самих частиц. Понятия силы и материи, которые резко противопоставлялись друг другу в греческом и ньютоновском атомизме, теперь представляются происходящими из одних и тех же динамических паттернов, которые мы называем частицами.
Такой подход к пониманию силы характерен и для восточного мистицизма, в учениях которого движение и изменение рассматриваются как основные исходные свойства всех вещей. «Все вращающиеся тела, — говорит Чжан Цзай о небесах, — обладают природной силой. Поэтому их движение не является навязанным извне»[207]. В «И цзин» утверждается, что природные законы не являются внешними силами по отношению к вещам: они воплощают гармонию движения, свойственную вещам[208].
Это древнее китайское определение силы как воплощения гармонии движения, свойственной самим вещам, представляется особенно адекватным в свете положений квантовой теории поля, которая характеризует силы взаимодействия между частицами как проявления динамических паттернов (виртуальных облаков), присущих частицам.
Теория поля в современной физике заставляет нас отказаться от традиционного противопоставления материальных частиц и пустоты. И уравнения гравитационного поля Эйнштейна, и квантовая теория поля утверждают, что частицы неразрывно связаны с окружающим пространством и не могут рассматриваться отдельно от него. С одной стороны, частицы определяют структуру этого пространства, с другой — это не самостоятельные субстанции, а скорее, сгустки бесконечного поля, пронизывающего всё пространство. Квантовая теория поля видит в этом поле основу существования и взаимодействия всех частиц.
Поле существует всегда и везде; оно не может исчезнуть. Поле есть проводник для всех материальных явлений. Это «пустота», из которой протон создает пи-мезоны. Возникновение и исчезновение частиц — лишь формы движения поля[209].
Различие между материей и пустотой пришлось отставить в сторону, когда стало очевидно, что виртуальные частицы могут спонтанно возникать «из пустоты» и снова в ней исчезать. Это происходит даже в случаях, когда поблизости нет нуклонов или других частиц, которые участвуют в сильных взаимодействиях. На рисунке 38 показана «вакуумная диаграмма», где изображен один из подобных процессов: три частицы — протон (р), антипротон (
Рис. 38. Вакуумная диаграмма
Здесь снова возникает близкая параллель между понятием Пустоты в восточном мистицизме и современной физикой. Как Пустота, «физический вакуум» в теории поля не является состоянием отсутствия существования, но содержит возможность возникновения самых разнообразных форм мира частиц. Эти формы — не самостоятельные физические единицы, а переходящие воплощения Пустоты, лежащей в основе всего бытия. Как говорится в одной сутре, форма есть пустота, а пустота есть форма.
Отношения между виртуальными частицами и вакуумом имеют динамическую природу; вакуум — «живая пустота» в полном смысле этого слова, в пульсации которой берут начало бесконечные ритмы создания и разрушения. Большинство физиков считают открытие динамической сущности вакуума одним из важнейших достижений современной физики. Из пустого контейнера для всех физических явлений пустота превратилась в крайне важную динамическую величину. Таким образом, результаты исследований современной физики подтверждают правоту слов великого мыслителя Чжана Цзая.
Для того, кто знает, что Великая Пустота наполнена
Глава 15. Космический танец
В ходе изучения субатомного мира в XX в. физики обнаружили, что вещество по природе своей изменчиво, а составные части атома, субатомные частицы — динамические структуры, существующие не в виде самостоятельных единиц, а в виде неотъемлемых компонентов неразрывной сети взаимодействий. Последние создают непрекращающийся поток энергии, проявляющийся в обменах частицами, динамическом чередовании стадий их рождения и разрушения, а также постоянных изменениях энергетических паттернов. В результате взаимодействий частиц образуются устойчивые структуры, из которых и состоит материальный мир. Эти структуры тоже не остаются неподвижными, а ритмически осциллируют, периодически превращаясь друг в друга. Вся Вселенная оказывается вовлечена в бесконечный процесс движения и активности — постоянный космический танец энергии.
Этот танец имеет множество паттернов, которые можно разделить на несколько основных разновидностей. Изучение субатомных частиц и их взаимодействий открывает нам не мир хаоса, а мир в высшей степени упорядоченный. Все атомы, а значит, и все формы материи вокруг нас — сочетания всего трех частиц, обладающих массой: протона, нейтрона и электрона. Четвертая, фотон, не имеет массы покоя и является квантом электромагнитного излучения. Протон, электрон и фотон — устойчивые частицы, которые способны существовать вечно, если не участвуют в столкновениях с другими частицами. Распад нейтрона может спонтанно произойти в любой момент. Этот процесс, получивший название «бета-распада», — обычный механизм одного из видов радиоактивности. Он заключается в преобразовании нейтрона в протон и возникновении электрона и еще одной безмассовой частицы, носящей название нейтрино. Подобно протону, электрону и фотону, нейтрино характеризуется устойчивостью. Обычно его обозначают греческой буквой ν («ню»), и символическая запись процесса бета-распада выглядит так:
Преобразование нейтронов в протоны в атомах радиоактивного вещества влечет преобразование этих атомов в атомы другого элемента. Возникающие в ходе этого процесса электроны испускаются атомами в виде излучения, которое широко применяется в биологии, медицине и промышленности. Установить факт рождения нейтрино, хотя они испускаются в таком же большом количестве, гораздо сложнее: эти частицы не имеют ни массы[211], ни электрического заряда.
Для каждой частицы существует античастица с такой же массой и противоположным зарядом. Античастицей для фотона является сам фотон; античастица электрона называется позитроном; также нам известны антипротон, антинейтрон и антинейтрино. На самом деле безмассовая частица, которая возникает в процессе бета-распада, представляет собой не нейтрино, а его античастицу, антинейтрино (
Упоминавшиеся до сих пор частицы — малая часть субатомных частиц, известных современной науке. Все остальные очень неустойчивы; они очень быстро распадаются на другие частицы, которые, в свою очередь, могут тоже подвергаться распаду, пока не образуются устойчивые частицы. Исследование неустойчивых частиц очень дорогостоящее: для каждого эксперимента их приходится создавать заново, что невозможно без огромных ускорителей, пузырьковых камер и других сложных устройств для обнаружения частиц.
Многие неустойчивые частицы существуют очень недолго по сравнению с временн
Чтобы преодолеть расстояние, равное диаметру ядра атома среднего размера, частице, движущейся со скоростью, близкой к световой (как во время экспериментов по столкновению частиц), нужно примерно 10 таких частице-секунд. Всего около двух дюжин из всего множества неустойчивых частиц, прежде чем подвергнуться распаду, преодолевают расстояния, равные размерам нескольких атомов. Оно превышает их размеры примерно в сто тысяч раз, и для его преодоления требуется несколько сот «частице-часов». Эти частицы, наряду с уже упоминавшимися устойчивыми, перечислены в табл. 3.
Таблица 3. Устойчивые и сравнительно долго живущие частицы
Таблица включает 13 различных видов частиц, многие из которых способны существовать в нескольких «зарядовых состояниях». Так, пионы могут иметь положительный заряд (π+), отрицательный (π—) или быть электрически нейтральными (π0). Существует две разновидности нейтрино, различающиеся тем, что каждая из них может взаимодействовать только с определенным типом частиц: первая — с электронами (νе), вторая — с мюонами (νμ). Античастицы тоже включены в таблицу, причем три частицы могут быть своими собственными античастицами (γ, π0, η). Все частицы расположены в порядке возрастания массы атомов: фотоны не имеют массы покоя, масса нейтрино крайне мала, электрон представляет собой легчайшую частицу с точно измеренной массой, мюоны, пионы и каоны в несколько сот раз тяжелее электрона; остальные частицы тяжелее электрона в 1000–3000 раз.
Большинство неустойчивых частиц из таблицы могут до распада переместиться на сантиметр или даже несколько сантиметров, а неустойчивые частицы с наибольшей продолжительностью существования — миллионные доли секунды — преодолеть расстояние даже в несколько сотен метров, которое кажется огромным по сравнению с их размерами.
Все остальные известные частицы относятся к числу «резонансов». Им будет посвящена следующая глава. Резонансы еще менее долговечны, их распад происходит за несколько частице-секунд, и они не могут преодолевать расстояния, превышающие их размеры больше чем в несколько раз. Это значит, что в пузырьковой камере обнаружить их невозможно. Свидетельства их существования могут быть только косвенными. Следы из пузырьков в пузырьковых камерах оставляют только те частицы, которые перечислены в табл. 3. В процессе столкновения они могут возникать и прекращать свое существование, а также превращаться в виртуальные частицы, участвуя во взаимодействиях. Казалось бы, в такой ситуации общее число возможных типов взаимодействий между частицами может быть очень большим, но по причине, которая нам не известна, все взаимодействия делятся на четыре разновидности, характеризующиеся различной степенью присутствующих сил. Перечислим их:
• сильные взаимодействия;
• электромагнитные взаимодействия;
• слабые взаимодействия;
• гравитационные взаимодействия.
Более всего известны электромагнитные и гравитационные взаимодействия, поскольку они наблюдаются и в макроскопическом мире. Гравитационные взаимодействия существуют между всеми частицами, но они настолько слабы, что не обнаруживаются экспериментально. В макроскопическом мире такие взаимодействия большого количества частиц, составляющих массу тела, складываются и порождают макроскопическую силу гравитации, которая является основной силой во Вселенной. Электромагнитные взаимодействия происходят между всеми заряженными частицами. Именно они вызывают все химические реакции, формируют все атомные и молекулярные структуры. Сильные взаимодействия удерживают вместе протоны и нейтроны внутри ядра. Они порождают ядерную силу — самую мощную из всех известных современной науке сил. Так, например, электроны удерживаются поблизости от атомного ядра при помощи электромагнитной силы, обладающей энергией примерно в 10 электрон-вольт (особая внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике), а ядерные силы, связывающие протоны и нейтроны внутри ядра, имеют энергию, равную десяткам миллионов электрон-вольт!
Нуклоны — не единственные частицы, которые участвуют в сильных взаимодействиях. К сильно взаимодействующим относится подавляющее большинство известных частиц. Из всех известных на момент написания книги частиц только пять частиц (как и их античастицы) не могут участвовать в сильных взаимодействиях[213]. Это фотон и четыре лептона, перечисленные в верхней части табл. 3[214]. Мы можем разделить все частицы на две большие группы — лептоны и адроны, или сильно взаимодействующие частицы. Адроны делятся на мезоны и барионы, между которыми много различий. Важнейшее из них заключается в том, что все барионы имеют античастицы, а мезоны могут сами выступать в роли своих античастиц.
Лептоны участвуют во взаимодействиях четвертого типа — слабых. Последние настолько слабы и действуют на таком коротком расстоянии, что не могут удерживать частицы рядом, а три остальные разновидности взаимодействий порождены связывающими силами: сильные взаимодействия связывают атомное ядро, электромагнитные — атомы и молекулы, а гравитационные — планеты, звезды и галактики. Слабые взаимодействия проявляются только в форме столкновения определенных частиц, а также их распада. К числу последних относится и бета-распад, упомянутый выше.
Все взаимодействия между адронами проявляются в обмене другими адронами. Сильные взаимодействия действуют только на небольших расстояниях, поскольку в соответствующих им обменных процессах участвуют массивные частицы. Сильные взаимодействия происходят только при условии, что расстояние между частицами не превышает нескольких размеров частицы. Поэтому они не способны создать силу, которую мы могли бы обнаружить в нашем макроскопическом мире. Электромагнитные взаимодействия осуществляются не имеющими массы фотонами и возможны на больших расстояниях, поэтому электрические и магнитные силы хорошо известны в мире больших измерений. Считается, что гравитационные взаимодействия тоже осуществляются в рамках обмена особыми частицами — «гравитонами», но они настолько слабы, что до сих пор не были обнаружены учеными, хотя никаких поводов сомневаться в их существовании нет.
Наконец, поскольку слабые взаимодействия гораздо более короткодействующие, чем сильные, физики считают, что они осуществляются путем обмена очень тяжелыми частицами. Видимо, эти гипотетические[215] частицы W+, W— и Z выполняют роль, аналогичную роли фотона в электромагнитных взаимодействиях, отличаясь от него только намного большей массой. Именно аналогия с фотоном легла в основу последних модификаций квантовой теории поля, получивших название калибровочных и позволивших создать единую теорию поля для электромагнитных и слабых взаимодействий (см. послесловие).
Во многих процессах столкновений, применяющихся в физике высоких энергий, сильные электромагнитные и слабые взаимодействия часто объединяются, в результате возникают длинные цепочки последовательных превращений частиц. Частицы, первоначально участвовавшие в столкновении, уничтожаются, образуя несколько новых, которые тоже проходят несколько процессов столкновений или распада, прежде чем превратиться в устойчивые частицы.
На рисунке 39 представлена сделанная с помощью пузырьковой камеры фотография[216] сложной последовательности столкновений и распадов частиц. Здесь изображена одна из таких цепочек возникновений и исчезновений частиц. Эта впечатляющая иллюстрация неучтожимости вещества на уровне частиц, демонстрирующая поток энергии, под воздействием которой рождаются и погибают частицы.
Рис. 39. Фотография столкновений и распадов частиц
Сложная последовательность рождения и распада частиц выглядит так (рис. 40): отрицательно заряженный пион (π—) проникает в пузырьковую камеру слева, сталкивается с протоном, т. е. ядром атома водорода, который уже находился внутри камеры; обе частицы разрушаются, в результате чего образуется нейтрон (n) и два каона (К— и К+); нейтрон улетает, не оставляя следа; каон К— сталкивается с другим находящимся в камере протоном, обе частицы аннигилируются, образуя лямбду (Λ) и фотон (γ). Ни одна из вновь образованных частиц не является видимой, но лямбда (Λ) через короткое время распадается на протон (р) и пион (π—), каждый из которых оставляет видимый след. На рисунке хорошо видно небольшое расстояние между возникновением лямбды и ее распадом. Наконец, каон К+, возникший при самом первом столкновении, некоторое время продолжает двигаться, а потом распадается на три пиона.
Рис. 40. Пояснение к рисунку выше
Особенно поразительно в этой последовательности то, что безмассовый, но наделенный большим количеством энергии фотон, который никак не обнаруживает своего присутствия в пузырьковой камере, внезапно взрывается, образуя пару заряженных частиц (позитрон и электрон), которые тут же начинают двигаться по расходящимся дугам. На рисунке 41 запечатлен процесс, в котором образование пары противоположно заряженных частиц из электрически нейтрального фотона происходит дважды.
Рис. 41. Последовательность событий, приводящих к образованию двухэлектронно-позитронных пар: каон К— распадается на пион π— и два фотона (γ), каждый из которых создает электронно-позитронную пару, при этом позитроны (е+) отлетают вправо, электроны (е—) — влево
Чем значительнее энергия изначального столкновения, тем больше частиц может образоваться. На рисунке 42 показано столкновение между антипротоном и протоном, в результате которого возникает восемь пионов.
Рис. 42. Создание восьми пионов после столкновения между антипротоном (
А рисунок 43 показывает экстремальный случай: образование сразу 16 частиц после одного столкновения пиона и протона.
Рис. 43. Возникновение 16 частиц в процессе столкновения пиона с протоном
Все столкновения были воспроизведены искусственно в лабораторных условиях с использованием мощных ускорителей, где частицы разгонялись до высоких скоростей и им сообщалось большое количество энергии. В большинстве случаев в природных условиях на Земле невозможно создать такие энергетические потоки, которых достаточно для образования тяжелых частиц. В открытом космосе ситуация иная. В центре звезд сосредоточены крупные скопления субатомных частиц, между которыми постоянно происходят естественные столкновения, аналогичные столкновениям внутри современных ускорителей. В некоторых звездах эти процессы рождают очень мощное электромагнитное излучение, которое может принимать форму радиоволн, световых волн и рентгеновских лучей. Для астрономов это излучение — основной источник информации о Вселенной. Межзвездное, как и межгалактическое, пространство оказывается насыщенным электромагнитными излучениями разных частот, т. е. фотонными потоками с различной энергией. Но фотоны — не единственные частицы, которые постоянно бороздят просторы космоса. «Космическая радиация» состоит не только из фотонов, но и из тяжелых частиц, механизм образования которых до сих пор остается тайной. Большинство этих частиц составляют протоны; некоторые обладают очень большой энергией, намного превышающей ту, что сообщается им самыми мощными ускорителями.
Попадая в атмосферу Земли, эти обладающие большой энергией «космические лучи» сталкиваются с ядрами атомов, составляющих молекулы атмосферы, образуя множество вторичных частиц, которые либо распадаются, либо вступают в дальнейшие столкновения, рождая новые частицы, которые вновь сталкиваются и распадаются, пока последние из них не достигнут Земли. Так, один-единственный протон, попавший в атмосферу Земли, может породить каскад явлений, в ходе которых его исходная кинетическая энергия превратится в дождь разнообразных частиц и будет постепенно поглощаться по мере продвижения этих частиц к поверхности Земли. То же явление, которое мы можем наблюдать в физике высоких энергий в ходе экспериментов по сталкиванию частиц, происходит в атмосфере нашей планеты естественным путем. Причем в последнем случае его протекание характеризуется гораздо большей интенсивностью. Непрерывный поток энергии претерпевает на своем пути к Земле много изменений, частицы непрерывно возникают и исчезают в ритмичном танце творения и разрушения. На рисунке 44 представлено величественное изображение такого полного энергии танца, которое было зафиксировано случайно, когда дождь из космических лучей попал в пузырьковую камеру, которая участвовала в эксперименте, проводившемся в Европейском исследовательском центре ЦЕРН[217].
Рис. 44. Дождь из примерно 100 частиц, образовавшийся в космических лучах, случайно попадает в пузырьковую камеру. Прямые следы принадлежат частицам, которые попали в камеру из ускорителя
В мире частиц могут происходить не только такие процессы их рождения и гибели, которые обнаруживаются на фотографиях пузырьковых камер. Важное место среди явлений субатомного мира занимают процессы возникновения и аннигиляции виртуальных частиц, участвующих в обменных процессах и существующих недостаточно долго, чтобы быть обнаруженными. Возьмем, например, возникновение двух пионов в результате столкновения протона и антипротона. Пространственно-временн
Рис. 45. Пространственно-временная диаграмма столкновения
На этой диаграмме изображены мировые линии протона (р) и антипротона (
Рис. 46. Взаимодействие протона и антипротона
Точно так же процесс, зафиксированный на рис. 46 (нижний рисунок), приводящий к образованию четырех пионов в результате столкновения протона и антипротона, тоже может быть представлен в виде более сложного обменного процесса, в ходе которого происходит образование и аннигиляция трех виртуальных частиц: двух нейтронов и одного протона (рис. 47).
Рис. 47. Обменный процесс с образованием и аннигиляцией трех частиц
Соответствующая фейнмановская диаграмма будет выглядеть так (рис. 48)[218].
Поделиться книгой: