Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики
Шрифт:
Нуклоны состоят из трёх кварков, каждый из которых присоединён к струне, а три струны сходятся в центре, как у боласа индейцев гаучо. Они тоже могут крутиться и вибрировать.
Быстрое вращение и вибрация адрона добавляют струне энергию, растягивают её и увеличивают её массу [124] .
Существует ещё один тип адронов — семейство «бескварковых» частиц, состоящих только из струн, замкнутых на себя и образующих петлю. Физики называют их глюболами, но для струнного теоретика это просто замкнутые струны.
124
Поначалу
Не похоже, чтобы кварки состояли из ещё меньших частиц. Подобно электронам, они столь малы, что их размеры неизмеримы. Но струны, которые связывают кварки между собой, определённо состоят из других объектов, и эти объекты — не кварки. Липкие частицы, которые соединяются в струны, называются глюонами.
По сути, глюоны — это очень маленькие кусочки струны. Будучи чрезвычайно малыми, они тем не менее имеют два «конца» — положительный и отрицательный, — почти как если бы они были маленькими магнитами [125] .
125
Концы магнита обычно называют северным и южным полюсами. Я не хочу, чтобы создалось впечатление, будто глюоны ориентируются подобно стрелкам компаса, поэтому я называю полюса глюонов положительным и отрицательным.
Математическая теория кварков и глюонов называется квантовой хромодинамикой (КХД). Может показаться, что это название связано с цветной фотографией, а не с элементарными частицами. Но терминология скоро прояснится.
Согласно математическим правилам КХД, глюон не может существовать сам по себе. По математическим законам его положительный и отрицательный концы должны быть присоединены либо к другим глюонам, либо к кваркам: каждый положительный конец должен присоединиться к отрицательному концу другого глюона или к кварку; каждый отрицательный конец должен присоединиться к положительному концу другого глюона или к антикварку; наконец, три положительных или три отрицательных конца могут соединиться вместе. По этим правилам легко можно собрать нуклоны, мезоны и глюболы.
Теперь рассмотрим, что происходит, если кварк в мезоне подвергся воздействию очень большой силы. Такой кварк начинает быстро удаляться от антикварка. Если бы всё было так, как с электроном в атоме, то он бы улетел прочь, но здесь случается совсем другое. При удалении кварка от своего партнёра между глюонами возникают зазоры, как между молекулами резиновой ленты, когда её слишком сильно растягивают. Но вместо разрыва глюоны клонируют себя, порождая новые глюоны для заполнения зазоров. Так формируется струна между кварком и антикварком, которая предотвращает убегание кварка. На следующем рисунке показана временная последовательность состояний при такой высокоскоростной попытке убегания кварка от антикварка в мезоне.
В конце концов кварк исчерпает свою энергию, остановится и вернётся обратно к антикварку. То же самое случится и с разогнавшимся кварком в нуклоне.
Струнная теория нуклонов, мезонов и глюболов — это не досужие спекуляции. За прошедшие годы она была исключительно точно подтверждена и рассматривается как часть стандартной теории адронов. Что вызывает путаницу, так это вопрос, следует ли рассматривать струнную теорию как вытекающую из квантовой хромодинамики, иными словами, должны ли струны считаться длинными цепочками долее фундаментальных глюонов или же предпочесть другой способ объяснения: что глюоны — не более чем короткие сегменты струн. Возможно, что оба подхода верны.
Кварки кажутся столь же маленькими и элементарными, как электроны. Они не могут раскручиваться, сжиматься или деформироваться. Но, несмотря на то что в них не видно внутренних частей, они обладают степенью сложности, которая выглядит парадоксальной. Существует много типов кварков с разными электрическими зарядами и массами. Что вызывает эти различия, остаётся загадкой; внутренние
Перед Второй мировой войной, когда физикой в основном занимались европейцы, для именования частиц использовали греческий язык. Фотоны, электроны, мезоны, барионы, лептоны и даже адроны происходят из греческого языка. Но потом порывистые, непочтительные и порой глупые американцы взяли верх, и названия упростились. «Кварк» — это бессмысленное слово из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», но с этой литературной высоты всё покатилось вниз. Отличия между кварками разных типов стали обозначать совершенно неприемлемым термином аромат. Мы могли бы говорить о шоколадных, клубничных, ванильных, фисташковых, вишнёвых и мятных кварках, но всё оказалось не так. Шесть ароматов кварков: верхний, нижний, странный, очарованный, боттом и топ. В какой-то момент названия «боттом» и «топ» показались слишком рискованными, и довольно быстро они превратились в «прелестный» и «истинный» [126] .
126
По-английски ароматы первоначально назывались: up, down, strange, charmed, bottom, top. Кварки обозначались по первым буквам этих слов. Однако во многих других языках (в частности, в русском) трудно подобрать удачные переводы, позволяющие различать названия up (направленный вверх, верхний) и top (самый верхний), down (направленный вниз, нижний) и bottom (самый нижний). Это могло вызывать путаницу или неудобные переводы вроде транслитераций «боттом» и «топ». Новые названия для последних двух ароматов beauty и true позволили уйти от этой проблемы, сохранив обозначения по первым буквам. — Прим. перев.
Главная цель моего рассказа об ароматах в том, чтобы просто проиллюстрировать, как мало мы знаем о строительных блоках материи и насколько условным может быть применение термина элементарные частицы. Но есть и другое различие, очень существенное для работы КХД. Каждый кварк — верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный, истинный — может быть трёх цветов: красного, голубого и зелёного. Отсюда и возникает «хромо» в квантовой хромодинамике.
Притормозим на минуту. Естественно, кварки слишком малы, чтобы отражать свет в обычном нашем понимании. Цветные кварки — вещь лишь незначительно менее глупая, чем шоколадные, клубничные или ванильные кварки. Однако людям нужны названия для обозначения вещей; называть кварки красными, зелёными или синими не более смешно, чем называть либералов — синими, а консерваторов — красными [127] . И хотя мы понимаем происхождение цвета кварков не лучше, чем происхождение их аромата, цвет играет намного более важную роль в КХД.
127
Примерно с 2000 года в американской политической жизни красный цвет ассоциируется с республиканской партией, синий — с демократической. В 2010 году партии приняли логотипы, выполненные в этих цветах. — Прим. перев.
Глюоны, согласно КХД, не имеют аромата, но по отдельности они даже ещё более цветные, чем кварки. Каждый глюон имеет положительный и отрицательный полюса, а каждый полюс обладает цветом — красным, зелёным или голубым. Можно сказать, что существует девять типов глюонов (это несколько избыточное упрощение, но по сути корректное) [128] .
Почему существует три цвета, а не два, не четыре, не какое-то другое число? Тут нет никакой связи с тем, что цветное зрение опирается на три основных цвета. Как я уже отметил, цветные метки произвольны и не имеют ничего общего с цветами, которые мы видим. На самом деле никто не знает, почему их именно три; это одна из тех загадок, которые указывают, как далеки мы ещё от полного понимания элементарных частиц. Однако по тому, как они сочетаются в нуклонах и мезонах, мы знаем, что существует три, и только три цвета кварков.
128
Эксперты, прочитав это, отметят, что существует только восемь различимых типов глюонов. Одна квантово-механическая комбинация — глюон, с равной вероятностью являющийся красно-красным, сине-синим, зелёно-зелёным, — избыточна.