В течение прошлого столетия физики обнаружили два общих для всех этих взаимодействий свойства. Во-первых, как будет рассмотрено в главе 5, на микроскопическом уровне каждому взаимодействию соответствует частица, которая может рассматриваться как наименьший сгусток этого взаимодействия. Когда лазер, «электромагнитное ружье», испускает пучок лучей, из него вылетает на самом деле поток фотонов, представляющих собой мельчайшие переносчики электромагнитного взаимодействия. Аналогично, наименьшими компонентами слабого и сильного взаимодействия являются частицы, известные под названием слабых калибровочных бозонов и глюонов. (Название глюон[2] является особенно образным: глюоны могут рассматриваться как микроскопические компоненты прочного клея, удерживающего вместе составляющие атомное ядро частицы.) К 1984 г. экспериментаторы смогли подтвердить существование и детально изучить свойства приведенных в табл. 1.2 трех типов частиц, отвечающих за различные виды взаимодействия.
Таблица 1.2
Четыре фундаментальных типа взаимодействий, существующих в природе; частицы, переносящие эти взаимодействия, и их массы (в единицах массы протона). (Переносчики слабого взаимодействия имеют различные массы, указанные в таблице. Теоретические исследования говорят о том, что масса гравитона должна быть равна нулю.)
| Взаимодействие | Частица, переносящая взаимодействие | Масса |
|---|---|---|
| Сильное | Глюон | 0 |
| Электромагнитное | Фотон | 0 |
| Слабое | Слабые калибровочные бозоны | 86,97 |
| Гравитационное | Гравитон | 0 |
Физики считают, что с гравитационным взаимодействием также связана частица — гравитон, однако ее существование пока не получило экспериментального подтверждения.
Вторая общая черта всех видов взаимодействия состоит в том, что точно также как для гравитационного взаимодействия степень влияния на тело определяется его массой, а для электромагнитного взаимодействия — зарядом, мера влияния сильного и слабого взаимодействий на все частицы определяется количеством «сильного заряда» и «слабого заряда». (Эти свойства приведены в таблице в примечаниях к данной главе.)[3] Но, как и в случае с массами частиц, все, что смогли сделать физики — это тщательно измерить в эксперименте данные характеристики. Никто не предложил никакого объяснения, почему наша Вселенная состоит именно из этих частиц, и почему они имеют именно такие значения масс и зарядов.
Несмотря на наличие общих свойств, исследование фундаментальных взаимодействий привело только к появлению новых вопросов. Почему, например, существуют четыре фундаментальных взаимодействия? Почему не пять или три, или, может быть, одно? Почему эти взаимодействия имеют столь различные свойства? Почему сильное и слабое взаимодействия работают только в микроскопическом масштабе, тогда как гравитационные и электромагнитные силы имеют неограниченную область влияния? И с чем связано такое огромное различие в интенсивности этих взаимодействий?
Для того чтобы лучше понять последний вопрос, представьте себе, что у вас есть один электрон в левой руке и один — в правой. Попробуйте сблизить эти две частицы, имеющие одинаковый электрический заряд. Взаимное гравитационное притяжение будет способствовать их сближению, а электромагнитное отталкивание — препятствовать ему. Какое из этих взаимодействий одержит верх? Здесь все ясно: электромагнитное отталкивание примерно в миллион миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов (1042) раз сильнее! Если представить, что размер вашего правого бицепса характеризует силу гравитационного взаимодействия, то ваш левый бицепс должен простираться за пределы известной части Вселенной, чтобы его размер мог дать сравнительное представление о силе электромагнитного взаимодействия. Единственная причина, по которой электромагнитные силы не доминируют полностью над гравитационными в окружающем нас мире, заключена в том, что большинство тел состоит из одинакового числа положительных и отрицательных частиц, и, в результате, создаваемые ими силы нейтрализуют друг друга. С другой стороны, гравитационные силы всегда являются силами притяжения, и для них не происходит нейтрализации — чем больше вещества, тем сильнее будет гравитационное взаимодействие. Однако, по существу, гравитационное взаимодействие является чрезвычайно слабым. (Этим объясняется трудность экспериментального подтверждения существования гравитона. Поиск наименьшего сгустка самого слабого из взаимодействий — очень трудная задача.) Эксперименты также показали, что сильное взаимодействие примерно в тысячу раз сильнее электромагнитного и в сто тысяч раз сильнее слабого взаимодействия. Но в чем же состоит причина того, что наша Вселенная имеет такие свойства?
3
Таблица справа — расширенный вариант табл. 1.1. В нее входят массы и константы взаимодействия элементарных частиц всех трех семейств. Кварк каждого типа может обладать тремя значениями сильного заряда, которые названы (довольно причудливо) цветами. Приведенные значения константы слабого взаимодействия представляют собой, строго говоря, «третью компоненту» слабого изоспина. (Мы не привели «правосторонние» компоненты частиц — они отличаются отсутствием заряда слабого взаимодействия.)
| Частица | Масса* | Электрический заряд** | Заряд слабого взаимодействия | Заряд сильного взаимодействия |
|---|---|---|---|---|
| Электрон | 0,00054 | −1 | −1/2 | 0 |
| Электронное нейтрино | <10−8 | 0 | 1/2 | 0 |
| 0,0047 | 2/3 | 1/2 | красный, зеленый, синий | |
| 0,0074 | −1/3 | −1/2 | красный, зеленый, синий | |
| Мюон | 0,11 | −1 | −1/2 | 0 |
| Мюонное нейтрино | <0,0003 | 0 | 1/2 | 0 |
| 1,6 | 2/3 | 1/2 | красный, зеленый, синий | |
| 0,16 | −1/3 | −1/2 | красный, зеленый, синий | |
| Тау-частица | 1,9 | −1 | −1/2 | 0 |
| Тау-нейтрино | <0,033 | 0 | 1/2 | 0 |
| 189,0 | 2/3 | 1/2 | красный, зеленый, синий | |
| 5,2 | −1/3 | −1/2 | красный, зеленый, синий | |