Коротка історія часу - Стівен Вільям Хокінг

Друга категорія — електромагнетна сила, що діє між електрично зарядженими частинками, такими як електрони і кварки, але не між незарядженими частинками, такими як гравітон. Вона набагато сильніша за гравітаційну: електромагнетна сила, що діє між двома електронами, приблизно в мільйон мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів (одиниця з сорока двома нулями) разів більша від гравітаційної. Але існують два види електричного заряду — позитивний і негативний. Відштовхувальна сила діє між двома позитивними зарядами, як і між двома негативними, а притягальна сила діє між позитивним і негативним. Великі тіла, наприклад Земля чи Сонце, містять майже рівні кількості позитивних і негативних зарядів. Отже, притягальні та відштовхувальні сили між окремими частинками майже компенсують одна одну, і залишається дуже мала сумарна електромагнетна сила. Однак на малих масштабах атомів і молекул електромагнетні сили домінують. Електромагнетне притягання між негативно зарядженими електронами та позитивно зарядженими протонами в ядрі, змушує електрони обертатися навколо ядра атома, точно так само, як гравітаційне притягання змушує Землю обертатися навколо Сонця. Електромагнетне притягання описують як спричинене обміном великим числом віртуальних безмасових частинок зі спіном 1, яких називають фотонами. Знову ж, фотони, якими обмінюються, — це віртуальні частинки. Однак коли електрон переходить з однієї дозволеної орбіти на іншу, ближчу до ядра, вивільняється енергія і випускається реальний фотон, що можна при відповідній довжині хвилі спостерігати як видне світло людським оком, або ж за допомогою якого-небудь детектора фотонів, наприклад фотоплівки. Однаковою мірою, якщо реальний фотон зіштовхується з атомом, електрон може перейти з орбіти, ближчої до ядра, на дальшу від нього. При цьому використовується енергія фотона, тому вона поглинається.

Третя категорія — так звана слабка ядерна сила, яка відповідає за радіоактивність і діє на всі частинки речовини зі спіном 1/2, але не на частинки зі спіном 0, 1, 2, такі як фотони і гравітони. Слабка ядерна сила була не дуже добре зрозуміла до 1967 року, коли Абдус Салам з Імперського коледжу Лондона, і Стівен Вайнберґ з Гарвардського університету одночасно запропонували теорію, що об’єднала цю взаємодію з електромагнетною силою, точно як Максвел об’єднав електрику і магнетизм приблизно за сто років до того. Вони припустили, що, на додаток до фотона, існують ще три інші частинки зі спіном 1, відомі разом як масивні векторні бозони, що переносять слабку силу. Вони були названі W+ (дабл’ю-плюс), W– (дабл’ю-мінус) і Z0 (зед-нуль), і кожна мала масу близько 100 ГеВ (ГеВ означає гігаелектронвольт, або мільярд електронвольт). Теорія Вайнберґа — Салама виявляє властивість, відому як спонтанне порушення симетрії: коли ті, що видаються низкою зовсім різних частинок при низьких енергіях, насправді всі виявляються тим же типом частинки, тільки в різних станах. При високих енергіях усі ці частинки поводяться аналогічно. Ефект швидше схожий на поведінку кульки на колесі рулетки. При всіх високих енергіях (тобто при швидкому обертанні колеса) кулька поводиться, по суті, однаково — обертається і обертається по колу. Але коли колесо сповільнюється, енергія кульки зменшується, і врешті-решт вона падає в одну з тридцяти семи канавок на колесі. Іншими словами, при низьких енергіях може існувати тридцять сім станів, в яких може бути кулька. Якби ми чомусь могли спостерігати за кулькою тільки при низьких енергіях, то вважали б, що існує тридцять сім різних типів кульок!

Згідно з теорією Вайнберґа — Салама, при енергіях, значно вищих за 100 ГеВ, три нові частинки і фотон поводяться аналогічним чином, а при нижчих енергіях, тобто в більшості звичайних ситуацій, ця симетрія між частинками буде порушена. W+, W– і Z0 набували б великих мас, а створювані ними сили мали б дуже малий радіус дії. Коли Вайнберґ і Салам висунули свою теорію, їм мало хто повірив, а пришвидшувачі частинок не були достатньо потужні, щоб досягти енергії 100 ГеВ, необхідної для народження реальних W+, W– і Z0 частинок. Однак років десь через десять інші передбачення теорії щодо нижчих енергій так добре узгодилися з експериментом, що 1979 року Вайнберґ і Салам були удостоєні Нобелівської премії разом з Шелдоном Ґлешоу (теж з Гарварду), який запропонував схожу єдину теорію електромагнетних і слабких ядерних сил. Нобелівському комітетові не довелося пекти рака за можливу помилку, бо 1983 року в ЦЕРНі (Европейському центрі ядерних досліджень) відкрито трьох масивних партнерів фотона з правильно передбаченими значеннями маси та іншими властивостями. Карло Рубія, що очолював команду з декількох сотень фізиків, яка зробила це відкриття, отримав Нобелівську премію 1984 року разом з інженером ЦЕРНу Симоном Ван дер Меєром, що розробив систему накопичення античастинок, яка була використана. (У наші дні дуже важко залишити свій слід в експериментальній фізиці, хіба що ви вже на вершині!)

Четверта категорія — сильна ядерна сила (взаємодія)[21], що утримує разом кварки в протоні та нейтроні, а протони і нейтрони — в атомному ядрі. Вважають, що цю силу переносить ще одна частинка зі спіном 1, названа глюоном, що взаємодіє тільки з глюонами та кварками. Сильна ядерна сила має одну незвичну властивість, названу конфайнментом (утримуванням): частинки завжди пов’язуються разом у комбінаціях, що не мають кольору. Не можна мати одного кварка самого по собі, бо він матиме колір (червоний, зелений або синій). Натомість, червоний кварк має бути з’єднаний із зеленим і синім «низкою» глюонів (червоний + зелений + синій = білий). Такий триплет утворює протон або нейтрон. Є інша можливість: коли кварк і антикварк об’єднуються в пару (червоний + античервоний, або зелений + антизелений, або синій + антисиній = білий). Такі комбінації складають частинки, відомі як мезони; вони нестабільні, бо кварк і антикварк можуть анігілювати один з одним, утворюючи електрони та інші частинки. Аналогічно, конфайнмент запобігає наявності окремого, самого по собі глюона, бо глюони теж мають колір. Замість цього, має бути набір глюонів, щоб їхні кольори в сумі давали білий. Такий набір утворює нестабільну частинку, названу глюболом.

Через те, що конфайнмент запобігає спостереженню по­одинокого кварка або глюона, може здатися, що саме поняття про кварки і глюони як частинки дещо метафізичне. Однак є ще одна властивість сильної ядерної сили, названа асимптотичною свободою, що робить поняття кварків і глюонів добре означеним. За звичайних енергій сильна ядерна сила дійсно сильна і щільно пов’язує кварки разом. Проте, як показують експерименти на потужних пришвидшувачах, при високих енергіях сильна взаємодія набагато слабкіша, а кварки та глюони поводяться як майже вільні частинки. На рис. 5.2 показано фотографію зіткнення високоенергетичних