Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

1. Элементарные частицы – это сущности, которые по современным представлениям не состоят ни из каких деталей. Это довольно обязывающее свойство, потому что сводит все возможные различия между разными элементарными частицами к числам; эти числа (скажем, массы и заряды) никак больше прокомментировать нельзя, потому что нет места ни для каких «объясняющих» подробностей.

2. Список чисел, определяющих каждую элементарную частицу, закрытый. К нему нельзя добавить что-то еще для того, чтобы различать, например, два электрона. Этому «еще» там просто негде поместиться. В результате все элементарные частицы одного вида неразличимы.

3. Ни одна элементарная частица не является «неуничтожимой». Наоборот, они появляются и исчезают, превращаясь друг в друга, с соблюдением законов сохранения (в том числе законов сохранения энергии и электрического заряда).

4. При этом элементарные частицы – возбуждения соответствующих квантовых полей (говорят еще «кванты» соответствующих полей). Минимальные пояснения к этому таковы: квантовое поле способно «на постоянной основе» обладать энергией лишь в дискретных порциях, и наименьшая такая порция называется его квантом; кванты имеющихся во Вселенной фундаментальных полей и представляют собой все известные элементарные частицы. (Открытие новой элементарной частицы означает открытие нового квантового поля.)

И одно уточнение вдогонку. Произошедшие изменения в понимании природы оставляют место для небольшой путаницы в использовании термина «элементарный». Сначала к элементарным частицам относились электрон, протон и нейтрон; затем добавились мюон и нейтрино. В конце 1940-х гг. экспериментально обнаружили пи-мезоны, а в 1950-х гг. на ускорителях стали массово открывать разнообразные другие короткоживущие частицы. Их тоже называли элементарными, но со временем выяснилось, что они составлены из по-настоящему элементарных – кварков. И не только они, но и казавшиеся элементарными протон и нейтрон. А электрон (как и мюон), наоборот, ни из чего не составлен и не был разжалован из истинно элементарных. В результате выражение «элементарные частицы» может относиться к минимальному набору тех, которые и правда ни из чего другого не сложены, но нередко применяется и шире, охватывая протоны, нейтроны, пи-мезоны и т. д. (Смешению понятий дополнительно способствует тот факт, что протоны, нейтроны и другие частицы, составленные из кварков, нельзя разобрать на отдельные кварки.) В целом ряде ситуаций не называть, скажем, протон элементарной частицей довольно глупо, но, относя его к этой категории в несколько расширительном смысле, мы держим в уме, что он все же состоит из более элементарных. Однако в рамках этого приложения я слежу за тем, чтобы называть элементарными только по-настоящему элементарные частицы. Их-то – в отличие от «как-бы-элементарных» – совсем немного. Все вместе они и составляют Стандартную модель, содержание которой, впрочем, не ограничивается перечислением элементарных частиц, но, что очень важно, включает еще и описание их взаимодействий[311].

Небольшой набор известных элементарных частиц выглядит относительно случайным. Мы совсем не знаем, почему они именно такие и получили ли мы их в этой Вселенной в результате случайной «раздачи карт»; трудно сказать также, какую часть из «полной колоды» мы уже открыли (хотя очевидно, что не всю). Как бы то ни было, знания о картах, имеющихся у нас на руках, систематизируются следующим образом.

Прежде всего, полная колода получена объединением двух. У них разные рубашки:

Рабочий способ охарактеризовать две колоды – сказать, что все F составляют материю, а B являются переносчиками взаимодействий, т. е. служат для

связи между разными частями материи[312]. В колоде F – карты трех мастей, а в колоде B никакого разделения по мастям нет (все карты в ней – что-то вроде козырей плюс еще один джокер).

Перевернем лицом вверх сначала карты из трехмастной колоды F

. Значений карт (т. е. того, что определяет карту, помимо масти) там всего четыре; но это не двойка, тройка, четверка и пятерка (так их совсем никто не называет, даже я), а вот какие значения:

С учетом мастей карты из колоды F представлены на рис. В.1. Это, впрочем, определенное упрощение; чуть дальше мы увидим, что часть карт тут определенным образом «крапленые», но прямо сейчас это неважно.