какие виртуальные частицы являются переносчиками сильного взаимодействия
Физика. 11 класс
Конспект урока
Урок 30. Фундаментальные частицы и фундаментальные взаимодействия
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
Кварк – это фундаментальная частица в стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3 
и не обнаруженная в свободном состоянии.
Глюоны – элементарные частицы, переносчики сильного взаимодействия.
Стандартная модель – это теория в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя теорию гравитации.
Ускоритель заряженных частиц – класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий.
Единая физическая картина мира – единая физическая теория, объясняющая загадки мироустройства
Основная и дополнительная литература по теме урока:
2.Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. – С. 165 – 166.
4. Джанколи Д.К. Физика в двух томах. Т.2. М: «МИР», 1989. С. 620 – 630.
Основное содержание урока
Все бесконечное многообразие взаимодействий можно свести к четырём фундаментальным:
Фундаментальные взаимодействия имеют различную природу и силу.
Свойства этих четырёх типов фундаментального взаимодействия приведены в таблице.
Гравитоны (не обнаружены)
В 1916 году Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительности (ОТО), в которой объясняется гравитационное взаимодействие.
Слабое взаимодействие объясняет теория электрослабого взаимодействия (ТЭВ), созданная в 1967 году физиками Саламом, Глэшоу и Вайнбергом на основе квантовой электродинамики. За нее они получили Нобелевскую премию в 1979 году.
В 1927-1940-е годы Дираком, Паули, Фейнманом, Швингером создана квантовая электродинамика (КЭД), которая объясняет суть электромагнитного взаимодействия.
В 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия – квантовая хромодинамика (КХД), созданная объединенными усилиями многих физиков.
На основе этих двух последних теорий была создана Стандартная модель, все предсказания которой подтвердились, включая бозон Хиггса.
Стандартная модель – это теория в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя теорию гравитации.
Согласно этой теории, материя состоит из 24 частиц – 6 видов кварков и 6 видов лептонов, при этом каждой частице соответствует античастица (всего 12 античастиц).
Лепто́ны — фундаментальные частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии. К лептонам относятся: электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, τ-лептон, τ-нейтрино. Лептоны участвуют в слабом взаимодействии. Между заряженными частицами, относящимися к этому классу частиц, происходит ещё и электромагнитное взаимодействие.
Кварк – это фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3 
и не обнаруженная в свободном состоянии.
Кварки являются бесструктурными, точечными частицами; это проверено вплоть до масштаба примерно 10 −16 см, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона.
Протоны и нейтроны состоят из трёх кварков – u, d и s.
Протон как структура из двух u-кварков и одного d-кварка
Нейтрон как структура из двух d-кварков и одного u-кварка
Кварковая модель элементарных частиц была независимо постулирована в 1964
году американскими физиками Марри Гел-Манном и Джорджем Цвейгом.
В настоящее время считается, что существует 6 сортов (чаще говорят: ароматов) кварков: u, d, s, c, b, t.
Некоторые свойства кварков
Кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой цветом. Каждый из ароматов кварка имеет цвет – красный, зелёный и синий.
Кварк одного цвета может перейти в кварк другого цвета, испустив цветной глюон – частицу, являющуюся переносчиком сильного взаимодействия. Кварки в адронах находятся в таких цветовых состояниях, что суммарный цветовой заряд адрона равен нулю. Говорят, что адроны бесцветные или белые.
Физика высоких энергий находится в постоянном поиске и развитии. На данном этапе истинно элементарными (то есть не имеющими структуры) считаются кварки, лептоны, кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитоны) и частица Хиггса.
Для того чтобы понять сложные законы микромира применяют ускорители заряженных частиц.
Ускоритель заряженных частиц – класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий.
Принцип работы всех ускорителей прост – заряженные частицы ускоряются под действием электрического поля, магнитное же поле, создавая силу Лоренца, отклоняет частицу, не изменяя ее энергии, и задает орбиту, по которой движутся частицы.
Конструктивно ускорители можно принципиально разделить на две большие группы:
Виды циклические ускорителей:
Можно также классифицировать ускорители по назначению:
Современные ускорители являются огромными дорогостоящими комплексами, которые сооружают усилиями многих стран.
Единая физическая картина мира.
В первой половине XX века был обнаружен фундаментальный факт: все элементарные частицы способны превращаться друг в друга. Основным принципом единой картины мира стало единство в строении материи. Но единство мира проявляется и в законах движения частиц, и в законах их взаимодействия.
Революционное изменение классических представлений произошло после открытия квантовых свойств материи. Принципы квантовой теории являются совершенно общими, но все же многого выяснить пока еще не удалось
Предпринимаются попытки создания общей теории для всех типов взаимодействий, между которыми существует определённая связь. Электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия уже объединены в рамках теории великого объединения. Конечной целью физики является включение в эту теорию сил гравитации. Возможно совсем скоро кто-нибудь из вас, друзья, сумеет решить эту сложную проблему.
Разбор тренировочного задания
1. Решите кроссворд.
1) один из создателей КЭД;
5) название u-кварка.
2) один из создателей кварковой модели;
4) переносчик сильного взаимодействия.
Ответ: по горизонтали: 1) Паули; 5) верхний;
по вертикали: 2) Цвейг; 3) истинный; 4) глюон.
2. Определите по рисунку: 1) сколько кварков в составе протона и сколько в составе нейтрона; 2) сколько кварков в составе π-мезонов?
Кварковый состав протона и нейтрона
Ответ: 1) протон и нейтрон состоят из трех кварков; 2) π-мезоны состоят из двух кварков.
Виртуальных частиц не существует
И бесконечного количества пар «частица-античастица» в вакууме тоже нет.
Выражение «виртуальная частица» часто попадается в физике и в научно-популярных объяснениях квантовой теории поля. Но на самом деле виртуальных частиц как таковых не существует. Сегодня мы поговорим о том, зачем (и в каком виде) нужны виртуальные частицы, и почему их не существует.
Квантовая теория поля
Наша история начинается с квантовой теории поля.
Поле Хиггса
Выше схематично показано поле Хиггса. Его можно трактовать так: каждой точке в пространстве и времени мы присваиваем случайное свойство. Это может быть число, вектор, тензор, что хотите. Затем пытаемся понять, как это свойство изменяется с течением времени и при взаимодействии с другими сущностями. Вот вся суть теории поля.
В квантовой теории мы первым делом присваиваем поле каждой точке в пространстве. Это поле может быть описано простыми числами, которые называются скалярами, а может быть описано и более сложными сущностями – векторами.
Если в квантовой теории поля сообщить полю некоторую энергию, то поле изменяется: оно начинает колебаться между конкретными значениями. Такое колебание (осцилляция) напоминает частицу.
Если такая картинка кажется вам слишком обобщенной – ничего страшного, много деталей нам и не нужно. Достаточно помнить, что существуют поля, а осцилляции таких полей – это частицы.
Диаграммы Фейнмана, и как отображаются взаимодействия на них
Выше показана обычная диаграмма Фейнмана. Такая схема описывает взаимодействия между двумя или более частицами.
Например, на вышеприведенной диаграмме показано, как отталкиваются два электрона. Как известно, одинаковые заряды отталкиваются под действием электромагнитной силы, но на самом деле все несколько тоньше. Когда два электрона слишком приближаются друг к другу, они обмениваются фотоном: частицей света.
Этот процесс можно с тем же успехом описать и следующим образом, но такая трактовка будет немного строже (можете ее пропустить, если вам не нравится разбираться в полях): два источника осцилляций в поле электронов слишком сближаются, настолько, что немного перекрывают друг друга.
В результате возникают осцилляции в другом поле: электромагнитном. Из-за электромагнитных осцилляций две осцилляции электронного поля отдаляются друг от друга.
Другие примеры фейнмановских диаграмм
Небольшая загвоздка, которая просматривается в вышеприведенных диаграммах – есть множество вариантов взаимного отталкивания для двух электронов. Мы не будем вдаваться в специфику всевозможных диаграмм Фейнмана, это тема для отдельной статьи.
А следующий пункт давайте разберем внимательнее и докопаемся до некоторых деталей.
Теория возмущений
Представьте, что вам нужно решить алгебраическую задачу. Вам известна формула (x +a)² = x² + 2ax + a². Но задача сложнее. Что же делать? Вы попытаетесь решить задачу при помощи формулы, которую знаете. Если это не сработает, то вы попытаетесь выкрутиться при помощи сложения и вычитания, а затем применить формулу.
Примерно так и работает теория возмущений. Нам нужно каким-то образом решать задачи, которые слишком сложны; например, описывая такие взаимодействия, как показаны выше.
Может показаться, а что сложного в двух отталкивающихся электронах; но это взаимодействие связано со множеством сложных (и довольно запутанных) расчетов. Итак, чтобы было легче, возьмем очень простой случай (весьма, весьма далекий от того, что происходит на самом деле – как самая первая диаграмма Фейнмана из этой статьи) и посчитаем.
Затем разберем чуть более сложный случай (сложнее первого, но все равно очень далекий от реальности) и посчитаем его. Возьмем результаты двух приблизительных вычислений, а затем суммируем их, чтобы получить другое хорошее приближение.
Суммирование множества решений на диаграммах Фейнмана
Может показаться, что на этой картинке мы складываем диаграммы, но на самом деле – нет; мы складываем интегральные уравнения, представленные этими диаграммами.
В каждом из этих приближений содержатся различные конфигурации электромагнитного поля (того, что порождает фотон). Эти конфигурации соответствуют различным осцилляциям поля, но, при сложении осцилляций, с большой точностью воспроизводится то, что действительно происходит в реальности.
Виртуальные частицы
Держим в уме, что различные осцилляции, аппроксимирующие реальность – это просто придуманные нами ухищрения, призванные найти более простые решения для стоящей перед нами задачи. На самом деле этих осцилляций не существует. Если хотите, это «формальные» осцилляции, математический трюк.
Для них прижилось название «виртуальные частицы». Считается, что они «возникают и сразу исчезают», но «на настолько краткое время, что можно не считать их реальными».
Да, осциллирующие поля ассоциированы с частицами, но эти осцилляции (и, следовательно, соответствующие частицы) не существуют. Они изобретены, чтобы упростить довольно сложную (реальную) осцилляцию. Они вообще не существуют, в течение даже кратчайших интервалов времени.
Принцип неопределенности Гейзенберга
Возможно, ранее вам уже встречалась эта формула:
Принцип неопределенности Гейзенберга
Это знаменитый Принцип неопределенности Гейзенберга: в любой момент невозможно узнать для конкретного поля и энергию, и время. Именно поэтому и появилась концепция виртуальных частиц: поскольку при сколь угодно малых значениях времени энергию узнать невозможно, поле должно «бурлить» от виртуальных частиц.
Пусть я и не отрицаю справедливости принципа Гейзенберга, он никоим образом не свидетельствует о существовании виртуальных частиц. Согласно этому принципу, в вакууме существует небольшая неопределенность относительно того, какова может быть энергия поля. И все.
Энергетические флуктуации в вакууме
Если резюмировать: нам точно не известно, какова именно энергия поля в очень малые промежутки времени. От пикосекунды к пикосекунде эта энергия может колебаться, и не существует способа совершенно точно измерить и спрогнозировать энергию любого поля. Вот стандартная модель и полный список реально существующих частиц:
Разумеется, не исключено, что в будущем будет найдено и множество новых частиц, но пока, как с теоретической, так и с экспериментальной точки зрения могут существовать только эти частицы. Нереальные частицы из пустоты? Это научная фантастика или математика.
Откуда весь сыр-бор?
Может показаться, что теоретизировать о виртуальных частицах неправильно. Нет, это не так.
Виртуальные частицы полезны: они упрощают нам математику, помогают наглядно представить теорию возмущений, могут использоваться для новых прогнозов и помочь открыть новую физику. Да, это удобный и полезный конструкт, никаких сомнений.
Но важно различать, где математика, а где реальность. Возьмем, к примеру, Хокинговское излучение.
Считается, что хокинговское излучение возникает при образовании пары виртуальных частиц, когда одна из этих частиц падает в черную дыру, а другой удается ускользнуть. Наглядно и понятно.
Строго говоря, Хокинговское излучение никак не связано с виртуальными частицами. Оно связано с осцилляциями, о которых шла речь выше, и с тем, как их видят разные люди, расположенные кто ближе, кто дальше от черной дыры.
Притом, что виртуальные частицы помогают понять феномен, это отнюдь не означает, что они дают полную картину. Хокинговское излучение – один из тех феноменов, где математика воспринимается практически буквально, чтобы упростить описание явления.
Что же в этом плохого? Пока мои методы позволяют мне приходить к верным результатам, я вправе упрощать, верно?
Да, верно. Пока мы не путаем реальность с математическими упрощениями и четко понимаем, какова реальная картина. Именно об этом и была статья.
Думаю заключить ее словами Фейнмана:
Главный принцип – не дурачить самого себя. А себя как раз легче всего одурачить.
Виртуальные частицы
Полезное
Смотреть что такое “Виртуальные частицы” в других словарях:
ВИРТУАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ — ВИРТУАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ, частицы, которые непосредственно не наблюдаются, поскольку существуют чрезвычайно короткое время в процессе взаимодействия между наблюдаемыми частицами. Согласно ПРИНЦИПУ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ Гейзенберга, они не подчиняются… … Научно-технический энциклопедический словарь
ВИРТУАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ — в квантовой теории, частицы, к рые имеют такие же квант. числа (спин, электрич. и барионный заряды и др.), что и соответствующие реальные ч цы, но для к рых не выполняется обычная (справедливая для реальных ч ц) связь между энергией (?),… … Физическая энциклопедия
Виртуальные частицы — Виртуальная частица некоторый абстрактный объект в квантовой теории поля, обладающий квантовыми числами одной из реальных элементарных частиц (с массой m), для которого, однако, не выполняется обычная связь между энергией и импульсом (т.е. ).… … Википедия
виртуальные частицы — в квантовой теории поля (КТП), частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время Δt, которое связано с их энергией Е соотношением неопределённостей Δtвиртуальные частицыħ/E, где ħ Планка постоянная. Согласно КТП, взаимодействие… … Энциклопедический словарь
ВИРТУАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ — в квантовой теории поля (КТП), частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время дельта t, к рое связано с их энергией Е соотношением неопределённостей дельта t h/Е, где h Планка постоянная. Согласно КТП, взаимодействие частиц… … Естествознание. Энциклопедический словарь
Виртуальные частицы — теоретически возможные элементарные частицы, непрерывно возникающие и исчезающие в очень короткие, экспериментально не наблюдаемые, промежутки времени (во временно энергетической формулировке в согласии с принципом неопределенности Гейзенберга… … Начала современного естествознания
ВИРТУАЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ — в квантовой теории, короткоживущие промежуточные состояния микросистемы, в к рых нарушается обычная связь между энергией, импульсом и массой системы (см. ВИРТУАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ). В. с. обычно возникают при столкновениях микрочастиц. Напр.,… … Физическая энциклопедия
Виртуальные переходы — в квантовой теории, переходы физической микросистемы из одного состояния в другое, связанные с рождением или уничтожением виртуальных частиц (См. Виртуальные частицы), т. е. частиц, существующих лишь в промежуточных, имеющих малое время… … Большая советская энциклопедия
Виртуальные состояния — в квантовой теории, короткоживущие промежуточные состояния микросистемы, в которых нарушается обычная связь между энергией, импульсом и массой системы. Среднее время жизни В. с. порядка ћ/∆E, где ∆E отклонение энергии E от её значения,… … Большая советская энциклопедия
Частицы — переносчики взаимодействий
Шестью парами лептонов и кварков, образующих строительный материал вещества, отнюдь не исчерпывается перечень известных частиц. Некоторые из них, например фотон, не включены в кварковую схему. Частицы, “оставшиеся за бортом”, не являются “кирпичиками мироздания”, а образуют своего рода “клей”, не позволяющий миру распадаться на части, т.е. они связаны с четырьмя фундаментальными взаимодействиями.
Помню, как в детстве мне рассказывали, что Луна заставляет океаны подниматься и опускаться во время ежедневных приливов и отливов. Для меня всегда было загадкой, каким образом океан узнаёт, где находится Луна, и следует за ее движением в небе. Когда уже в школе я узнал о гравитации, мое недоумение только усилилось. Каким образом Луна, преодолев четверть миллиона километров пустого пространства, ухитряется “дотянуться” до океана? Стандартный ответ — Луна создает в этом пустом пространстве гравитационное поле, действие которого достигает океана, приводя его в движение, — конечно, имел какой-то смысл, но все же не удовлетворял меня до конца. Ведь мы не можем видеть гравитационное поле Луны. Может, так только говорится? Разве это действительно объясняет что-нибудь? Мне всегда казалось, что Луна должна каким-то образом сообщать океану, где она находится. Между Луной и океаном должен происходить какой-то обмен сигналами, чтобы вода знала, куда двигаться.
Со временем выяснилось, что представление о силе, передаваемой через пространство в форме сигнала, не так уж далеко от современного подхода к этой проблеме. Чтобы понять, каким образом возникает такое представление, следует рассмотреть более подробно природу силового поля. В качестве примера выберем не океанские приливы, а более простое явление: два электрона сближаются, а затем под действием электростатического отталкивания разлетаются в разные стороны. Физики называют этот процесс проблемой рассеяния. Разумеется, электроны не толкают друг друга буквально. Они взаимодействуют на расстоянии, через электромагнитное поле, порождаемое каждым электроном.
Рис.11 Рассеяние двух заряженных частиц. Траектории частиц искривляются по мере их сближения вследствие действия силы электрического отталкивания.
Нетрудно представить картину рассеяния электрона на электроне. Первоначально электроны разделены большим расстоянием и слабо воздействуют друг на друга. Каждый электрон движется почти прямолинейно (рис. 11). Затем, по мере того как в работу включаются силы отталкивания, траектории электронов начинают искривляться, пока частицы максимально не сблизятся; после этого траектории расходятся, а электроны разлетаются, вновь начиная двигаться по прямолинейным, но уже расходящимся траекториям. Модель такого рода нетрудно продемонстрировать в лаборатории, используя вместо электронов электрически заряженные шарики. И снова возникает вопрос: откуда частица “знает”, где находится другая частица, и соответственно этому меняет свое движение.
Хотя картина искривленных траекторий электронов довольно наглядна, она в ряде отношений совершенно непригодна. Дело в том, что электроны — квантовые частицы и их поведение подчиняется специфическим законам квантовой физики. Прежде всего электроны не движутся в пространстве по вполне определенным траекториям. Мы еще можем тем или иным способом определить начальную и конечную точки пути — до и после рассеяния, по сам путь в промежутке между началом и концом движения остается неизвестным и неопределенным. Кроме того, интуитивное представление о непрерывном обмене энергией и импульсом между электроном и полем, как бы ускоряющим электрон, противоречит существованию фотонов. Энергия и импульс могут переноситься полем только порциями, или квантами. Более точную картину возмущения, вносимого полем в движение электрона, мы получим, предположив, что электрон, поглощая фотон поля, как бы испытывает внезапный толчок. Следовательно, на квантовом уровне акт рассеяния электрона на электроне можно изобразить, как показано на рис. 12. Волнистая линия, соединяющая траектории двух электронов, соответствует фотону, испущенному одним электроном и поглощенному другим. Теперь акт рассеяния предстает как внезапное изменение направления движения каждого электрон
Рис.12. Квантовое описание рассеяния заряженных частиц. Взаимодействие частиц обусловлено обменом переносчиком взаимодействия, или виртуальным фотоном (волнистая линия).
Диаграммы такого рода впервые применил Ричард Фейнман для наглядного представления различных членов уравнения, и первоначально они имели чисто символическое значение. Но затем диаграммы Фейнмана стали использовать для схематического изображения взаимодействий частиц. Такие картинки как бы дополняют интуицию физика, однако их следует толковать известной долей осторожности. Например, в траектории электрона никогда не наблюдается резкого излома. Поскольку нам известны только начальное и конечное положения электронов, мы не знаем точно момента, когда происходит обмен фотоном, и какая из частиц испускает, а какая поглощает фотон. Все эти детали скрыты пеленой квантовой неопределенности.
Несмотря на это предостережение, диаграммы Фейнмана оказались эффективным средством квантового описания взаимодействия. Фотон, которым обмениваются электроны, можно рассматривать как своего рода посыльного одного из электронов, сообщающего другому: “Я здесь, так что пошевеливайся!”. Разумеется, все квантовые процессы носят вероятностный характер, поэтому подобный обмен происходит лишь с определенной вероятностью. Может случиться, что электроны обменяются двумя и более фотонами (рис. 13), хотя это менее вероятно.
Важно отдавать себе отчет в том, что в действительности мы не видим фотонов, снующих от одного электрона к другому. Переносчики взаимодействия — “внутреннее дело” двух электронов. Они существуют исключительно для того, чтобы сообщать электронам, как двигаться, и, хотя они переносят энергию и импульс, соответствующие законы сохранения классической физики на них не распространяются. Фотоны в этом случае можно уподобить мячу, которым обмениваются на корте теннисисты. Подобно тому как теннисный мяч определяет поведение теннисистов на игровой площадке, фотон влияет на поведение электронов.
Успешное описание взаимодействия с помощью частицы-переносчика сопровождалось расширением понятия фотона: фотон оказывается не только частицей видимого нами света, но и призрачной частицей, которую “видят” только заряженные частицы, претерпевающие рассеяние. Иногда наблюдаемые нами фотоны называют реальными, а фотоны, переносящие взаимодействие, — виртуальными, что напоминает об их скоротечном, почти призрачном существовании. Различие между реальными и виртуальными фотонами несколько условно, но тем не менее эти понятия получили широкое распространение.
Теоретически создание КЭД явилось выдающимся достижением. Более ранние исследования взаимодействия фотонов и электронов имели весьма ограниченный успех из-за математических трудностей. Но коль скоро теоретики научились правильно проводить вычисления, все остальное становилось на место. КЭД предложила процедуру получения результатов любого сколь угодно сложного процесса с участием фотонов и электронов.
Рис.13. Рассеяние электронов обусловлено обменом двумя виртуальными фотонами. Такие процессы составляют небольшую поправку к основному процессу, изображенному на рис. 11
Чтобы проверить, насколько хорошо теория согласуется с реальностью, физики сосредоточили внимание на двух эффектах, представлявших особый интерес. Первый касался энергетических уровней атома водорода — простейшего атома. КЭД предсказывала, что уровни должны быть слегка смещены относительно положения, которое они занимали бы, если бы не существовало виртуальных фотонов. Теория очень точно предсказывала величину этого смещения. Эксперимент по обнаружению и измерению смещения с предельной точностью осуществил Уиллис Лэмб из Университета шт. Аризона. Ко всеобщему восторгу результаты вычислений прекрасно совпадали с экспериментальными данными.
Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки к собственному магнитному моменту электрона. И снова результаты теоретических расчетов и эксперимента полностью совпали. Теоретики принялись уточнять вычисления, экспериментаторы — усовершенствовать приборы. Но, хотя точность как теоретических предсказаний, так и экспериментальных результатов непрерывно повышалась, соответствие между КЭД и экспериментом оставалось безукоризненным. Ныне теоретические и экспериментальные результаты по-прежнему согласуются в пределах достигнутой точности, что означает совпадение более девяти знаков после запятой. Столь поразительное соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из существующих естественнонаучных теорий.
Нужно ли говорить, что после подобного триумфа КЭД была принята как модель для квантового описания трех других фундаментальных взаимодействий. Разумеется, полям, связанным с другими взаимодействиями, должны соответствовать иные частицы-переносчики. Для описания гравитации был введен гравитон, играющий такую же роль, как фотон. При гравитационном взаимодействии двух частиц между ними происходит обмен гравитонами. Это взаимодействие можно представить наглядно с помощью диаграмм, напоминающих те, что показаны на рис. 12 и 13. Именно гравитоны переносят сигналы от Луны океанам, следуя которым те поднимаются во время приливов и опускаются при отливах. Гравитоны, снующие между Землей и Солнцем, удерживают нашу планету на орбите. Гравитоны накрепко приковывают нас к Земле.
Подобно фотонам, гравитоны движутся со скоростью света, следовательно, гравитоны — это частицы с “нулевой массой покоя”. Но на этом сходство между гравитонами и фотонами кончается. В то время как фотон имеет спин 1, спин гравитона равен 2.
Частицы-переносчики четырех фундаментальных взаимодействий. Масса выражена в единицах массы протона.
Это важное различие, поскольку оно определяет направление силы: при электромагнитном взаимодействии одноименно заряженные частицы, например электроны, отталкиваются, а при гравитационном — все частицы притягиваются друг к другу.
Гравитоны могут быть реальными и виртуальными. Реальный гравитон — это не что иное, как квант гравитационной волны, подобно тому как реальный фотон — квант электромагнитной волны. В принципе реальные гравитоны можно “наблюдать”. Но поскольку гравитационное взаимодействие невероятно слабое, гравитоны не удается детектировать непосредственно. Взаимодействие гравитонов с другими квантовыми частицами настолько слабое, что вероятность рассеяния или поглощения гравитона, например, протоном бесконечно мала.
Основная идея обмена частицами-переносчиками распространяется и на остальные взаимодействия (табл. 4) — слабое и сильное. Однако в деталях имеются важные различия. Напомним, что сильное взаимодействие обеспечивает связь между кварками. Такую связь может создать силовое поле, сходное с электромагнитным, но более сложное. Электрические силы приводят к образованию связанного состояния двух частиц с зарядами противоположных знаков. В случае кварков возникают связанные состояния трех частиц, что свидетельствует о более сложном характере силового поля, которому соответствуют три разновидности “заряда”. Частицы — переносчики взаимодействия между кварками, связывающие их попарно или тройками, называют глюонами.
В случае слабого взаимодействия ситуация несколько иная. Радиус этого взаимодействия чрезвычайно мал. Поэтому переносчиками слабого взаимодействия должны быть частицы с большими массами покоя. Энергию, заключенную в такой массе, приходится “брать в долг” в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, о котором уже шла речь на с. 50. Но поскольку “взятая в долг” масса (и, следовательно, энергия) столь велика, принцип неопределенности требует, чтобы срок погашения такого кредита был чрезвычайно коротким — всего лишь около 10^-28с. Столь короткоживущие частицы не успевают отойти особенно далеко, и радиус переносимого ими взаимодействия очень мал.
В действительности существуют два типа переносчиков слабого взаимодействия. Один из них во всем, кроме массы покоя, подобен фотону. Эти частицы называют Z-частицами. По существу Z-частицы представляют собой новую разновидность света. Другой тип переносчиков слабого взаимодействия, W-частицы, отличаются от Z-частиц наличием электрического заряда. В гл. 7 мы обсудим более подробно свойства Z- и W-частиц, которые были открыты лишь в 1983 г.
Классификация частиц на кварки, лептоны и переносчики взаимодействий завершает перечень известных субатомных частиц. Каждая из названных частиц играет свою, но решающую роль в формировании Вселенной. Не будь частиц-переносчиков, не существовало бы и взаимодействий, и каждая частица осталась бы в неведении относительно своих партнеров. Не могли бы возникнуть сложные системы, любая деятельность была бы невозможна. Без кварков не было бы ни атомных ядер, ни солнечного света. Без лептонов не могли бы существовать атомы, не возникли бы химические структуры и сама жизнь.