Цвета и ароматы вашего микромира Страница 1 из 3

Мои друзья – в большинстве своём типичные гуманитарии – не верят мне, когда я им рассказываю о такой штуке, как квантовая хромодинамика. Точнее, о тех выводах, которые из неё следуют.




Квантовая хромодинамика (КХД) — это о строении протонов и нейтронов, а вовсе не о переменах цвета, как может показаться из-за названия этого направления физики (греческое χρῶμα [хрома] — цвет). В 60–70-е годы прошлого века, когда и стала зарождаться эта область физики, возникла эдакая глобальная общечеловеческая дискуссия: кто же важнее — физики или лирики? Дискуссия закончилась ничем, но настроения физиков в те годы были весьма лиричными. Кто застал эти замечательные времена, наверняка помнят, сколько прекрасных поэтов и бардов вышло из стен физических вузов. Поэтому многие физические открытия тех лет несут отблеск романтических настроений своих авторов.

До 60-х годов протоны и нейтроны считались фундаментальными, неделимыми частицами, но затем стало понятно, что и они из чего-то состоят. Это что-то было названо словом «кварк». Первооткрыватели кварков заимствовали это название из романа культового ирландского писателя Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Само слово (англ. — quark) считают звукоподражанием крику морских птиц. А фраза в романе звучит так: «Three quarks for Muster Mark!» На русский обычно переводится как «Три кварка для мюстера (искаженное мистер) Марка!» Роман к квантовой физике отношения не имеет, но именно из трех подчастиц состоит каждый протон или нейтрон, отсюда и идея назвать кварки кварками. Каждый кварк обозначен своим «цветом» . Но эти «цвета» не имеют никакого отношения к тому, что под цветом понимает всё остальное человечество: кварки значительно меньше длины световой волны и, следовательно, свет и цвет отражать не могут. В КХД «цвет» лишь условное обозначение одного из очень важных свойств кварков (грубо говоря, некоего аналога электрического заряда). Но кварки имеют и иные весьма примечательные свойства. Они бывают «верхними» и «нижними», «странными» и «очарованными», «прелестными» (или «красивыми») и «истинными». А ещё кварки обладают «ароматом». Все эти наименования, естественно, условны и отражают совершенно определенные физические характеристики, хорошо понятные лишь специалистам. Одним словом, кварки — истинные дети времени своего открытия.







Протоны. Это, естественно, схематическое изображение. На самом деле там всё непрерывно «кипит»

Всё это я рассказал так, к слову. Самое важное отнюдь не в этом. Напомню: всякий атом состоит из ядра и, как мы выяснили, электронного облака, где электроны находятся одновременно во всех разрешенных (по энергетическим уровням) состояниях. Ядро, в свою очередь, — из протонов и нейтронов, а те — из кварков. Самое же интересное в том, как это всё скрепляется: ведь те же протоны, например, имеют положительный заряд и должны, по идее, отталкиваться друг от друга. Но попробуйте вынуть хоть один из ядра стабильного элемента.

Современная физика выделяет четыре вида фундаментальных взаимодействий: электромагнитное, слабое (сегодня считается, что эти два — проявление в разных условиях одного и того же вида взаимодействия, которое называют электрослабым), а также сильное и гравитационное. Гравитационное — самый маломощный вид взаимодействия и на атомном и субатомном уровне чаще всего не учитывается вовсе. Так вот. Эти самые взаимодействия и отвечают за то, что разрозненные частицы собираются в единые комплексы, представляющие собой атомы, молекулы и всё то вещество, которое мы наблюдаем в мире.

Взаимодействия в квантовом мире происходят за счет обмена между фундаментальными частицами другим родом частиц — частицами переносчиками взаимодействий. Так, при электромагнитных взаимодействиях («плюс» притягивается к «минусу» или отталкивается от другого «плюса») электроны, протоны, кварки и другие частицы обмениваются безмассовыми фотонами. При слабом взаимодействии (оно действует только на микрорасстояниях) они обмениваются бозонами. Это уже частицы, обладающие массой, и при этом для субатомного мира довольно тяжелые. А при сильном взаимодействии между кварками в протонах и нейтронах происходит обмен частицами, называемыми глюонами. Их масса также нулевая.

Для того чтобы наглядно показать процесс взаимодействия в субатомном мире, физики прибегают к такого рода аналогиям. Допустим, по какой-нибудь реке движутся две лодки навстречу друг другу. В лодках две знакомые компании. И когда лодки поравнялись, с одной из них от полноты чувств перебросили своим друзьям бутылку шампанского. Но в этом случае из-за закона сохранения импульса обе лодки в какой-то степени изменят траектории своего движения, то есть провзаимодействуют. Или можно представить себе двух фигуристов, в ходе жанровой сценки обменивающихся на полном ходу ведром с водой. Совершенно очевидно, что обоим придется продемонстрировать в этот момент недюжинное мастерство, чтобы хотя бы устоять на ногах. (Эти примеры позаимствованы из энциклопедии Джеймса Трефила «Природа науки. 200 законов мироздания»).

Так как же организовано взаимодействие кварков между собой? Кварки имеют собственную массу. Очень небольшую. Но если три кварка объединяются в протон или нейтрон, их суммарная масса вырастает более чем в 60 раз! Почему так происходит? При взаимодействии между собой кварки производят частицы — переносчики взаимодействий глюоны (от англ. glue — клей, они как бы склеивают кварки друг с другом). Глюоны сами по себе не имеют массы. Но при взаимодействии с кварками и друг с другом они это самое взаимодействие материализуют: вокруг кварков образуется глюонное облако, которое уже приобретает массу. Замечательный пример эквивалентности энергии и массы: одно переходит в другое почти у нас на глазах (точнее, на глазах у физиков, которые наблюдают эти процессы в ускорителях элементарных частиц). Но, внимание! Откуда, собственно, берется эта энергия, которая затем превращается в массу? Ну, конечно же, всё из того же нуля, о котором мы говорим, начиная с первых статей, то есть из вакуума, а если точнее — из флуктуаций (спонтанных колебаний) вакуума. Причем колебания квантовохромодинамического вакуума, как это в данном случае называется, приводит к постоянному появлению и исчезновению виртуальных кварков и антикварков. Так что протоны и нейтроны (как и всё вещество в этом мире) существуют в известном нам виде лишь в среднем, а на самом деле постоянно превращаются то в одну, то в другую экзотическую частицу.

 

  • 111
  • 20/09/2016


Поделись



Подпишись



Смотрите также