Материя. Часть 2⁠⁠

Вот и снова на арене развлекательного чтива бесстыдные популяризаторы науки, то есть мы. Нам пришлось выполнить обещание и накатать вторую часть про окружающий мир, а точнее - приоткрыть завесу тайны над тем, что такое поле, энергия и вообще.

Предупреждаем сразу. Будет сложно, поэтому рекомендуем перечитать предыдущую часть про вещественную материю, а также не помешает пробежать глазами наши рассказы про скорость света, кванты и гравитацию - чтобы понять как можно больше из того, что мы тут сейчас напишем. Как обычно, картинки из гугла прилагаются.

Рассказывать популярно о таком виде материи как поле – занятие практически бестолковое, потому что визуализировать или провести аналогии почти не реально. В нашем повседневном опыте поле нельзя потрогать, да и ощутить можно только косвенно, ничего не поняв при этом. Поэтому физики делают упор на много-много математики.

Тем не менее мы попытаемся немного осветить достижения нынешней науки в этой области ужасными аналогиями и примерами, от которых большинство физиков уйдут в леса и пустыни жить отшельниками. Мы заранее просим у них извинений.

Вот что сегодня у нас известно насчет материи. О веществе мы рассказали в первой части.

Мы сразу уйдем от слова "поле", потому что это поятие осталось из классической физики, и оно определяется тем, что объект, оказавшийся в поле, испытывает на себе "неведомые" силы. То есть до квантовой механике поле принималось как данность без попыток объяснить его суть.  Мы же будем говорить терминами квантовой физики, и вместо слова "поле" или "энергия" назовем эту форму материи "взаимодействием".

На сегодняшний день физики обнаружили четыре вида (пять с полем Хиггса) взаимодействия. Вещественная материя, оказывается, может взаимодействовать между собой с помощью другой формой материи. И не только может, а постоянно это делает.

Сначала все думали, что взаимодействие это волна. Помните, всякие там электромагнитные поля, электромагнитные волны. Но уже Эйнштейн положил начало другому подходу к природе взаимодействия – он заявил, что мельчайший кусочек (квант) этого вашего поля это тоже частица! Вернее, это одновременно и волна и частица. Как, например, всем известный фотон, про который мы писали ранее.

Так как электромагнитное взаимодействие самое понятное и изученное, мы с него и начнем.

Большим достижением классических физиков было объединение магнитного взаимодействия и электрического. Это на самом деле одно и то же взаимодействие, просто оно происходит при разных условиях.

Что же такое электромагнетизм? В самом простом случае это сила, которая притягивает две противоположно заряженные частицы, а две частицы с одинаковым зарядом – отталкивает. То есть два электрона отталкиваются, а электрон тянется к протону именно из-за электромагнитного взаимодействия. Отметим, что понятие заряда до сих пор не расшифровано - одни считают, что суть в геометрии частиц, другие - в особенностях состава частиц и т.д.

Но почему они притягиваются или отталкиваются? Дело в том, что между двумя частицами, находящимися на определенном расстоянии друг от друга, происходит обмен другой частицей. И в случае с электромагнитными силами обмен происходит частицей-переносчиком, которая известна под именем фотон. Прикиньте! Фотон! Это квант электромагнитного поля.

Как это представить визуально? Лучше всего на наш взгляд это описал Брайан Грин (гуглите, кто это). Мы еще больше упростим его аналогию (в ущерб истине, разумеется).

Представьте, что вы (здоровый мужик) играете в бадминтон с таким же здоровяком. Пол у вас одинаковый (как заряд у двух электронов). Ваш воланчик – это фотон, который вы отбиваете ракетками. Чем ближе вы подбираетесь друг к другу, тем сильнее вы отбиваете воланчик, желая победить соперника, поэтому вам приходиться отступать, чтобы не проиграть партию. Две частицы с одинаковым зарядом, обмениваясь фотоном, расходятся подальше друг от друга, улавливаете?

И наоборот! Если вы все тот же здоровый мужик, но играете в бадминтон с очаровательной дамой (две частицы с противоположными зарядами, электрон и протон), то играя в бадминтон, вы чем ближе друг к другу, тем слабее бьете по волану, мечтая оказаться в интимной обстановке, так сказать.

Вот и весь механизм электромагнитного взаимодействия с точки зрения физики. На картиночке у нас нарисован случай для двух пролетающих мимо электронов, которые "общаются" с помощью фотона.

Так что мы сейчас познакомились с еще одной формой материи – фотоном, который ответственен за электромагнитное поле, излучение и т.п. Фотон это не только свет, но и радиоволны, а также – смертельное радиоактивное излучение (гамма-излучение). Вся разница в этих настолько разных физических явлениях лишь в длине волны (частоте) фотона. Если длина волны фотона БОЛЬШАЯ, то у нас радиоволна, если фотон колеблется чуть энергичнее (и соответственно длина волны меньше), то мы его видим в качестве света и его цветов.

А если частота волны фотона очень высокая, а значит велика его энергия, то такой фотончик запросто поджарит нас или как минимум просветит насквозь (рентгеновские лучи это тоже фотоны, ага).

Электромагнитное излучение существует не только при обмене частиц фотоном, но так же может выделяться и поглощаться. Фотоны рождаются при распаде массивных частиц (или когда их сталкивают в коллайдерах) или во время ядерных реакций. Обычно говорят, что во время ядерной реакции выделилось некоторое количество энергии. Так вот эта "энергия" и есть фотоны – частицы электромагнитного взаимодействия.

Почему от нашего Солнца идет свет? А все просто: от огромной температуры на Солнце ядра водорода объединяются в ядра гелия. Ядерная реакция сопровождается потерей энергии. Эту энергию в виде солнечного света мы и видим каждый день

Надеемся, что мир стал чуть более понятен. Но на этом чудеса материи не заканчиваются.

Пытливые умы, читающие наши россказни очень внимательно, могут спросить: позвольте, если частицы с одинаковым зарядом отталкиваются, то почему же положительно заряженные протоны в ядре не разлетаются к чертям, и в мире не наступает конец света?

Этим вопросом задались и ученые. Им нечего не оставалось, как предположить, что в ядрах существуют некие силы, которые удерживают протоны вместе вопреки электромагнитным силам.

И оказались правы. Если частицы состоят из кварков (как протоны и нейтроны), то между ними на очень близком расстоянии возникает второй вид фундаментального взаимодействия названный сильным.

В ядре атома гелия электрическая сила отталкивания между двумя протонами составляет 22.5 килограмма, но ее запросто "побивает" иной тип взаимодействия. Теперь понятно, почему сильное взаимодействие называется сильным. Оно примерно в тысячу раз сильнее электромагнитного. Как же протоны преодолевают отталкивание?

Дело в том, что взаимодействие происходит не между протонами, а между их составляющими – кварками. Это кварки постоянно обмениваются частичками-волнами (квантовая физика, увы), называемыми глюонами (от английского слова "клей", между прочим). И собсно эти частички тащут к себе кварки соседнего протона. Там всё очень сложно, на самом деле - не дай бог кому вникнуть. Так мы получаем еще одно поле - глюонное.

Раздел физики квантовая хромодинамика насчитывает восемь типов глюонов (в то время как фотон всего один, заметьте), потому что кварков много и одного типа глюона на них всех маловато. Глюоны как и фотоны не имеют массы. Подтверждение того, что глюоны существуют, было впервые получено на коллайдерах в 70-е годы прошлого века.

Третий вид взаимодействия был обнаружен при распаде тяжелых радиоактивных ядер, типа старого доброго урана. Нейтрон, который находится вне ядра, так сказать в свободном полете, живет всего около 800 секунд. А потом разваливается на протон, электрон и нейтрино. Вот за причины этой трагедии и ответственен новый вид взаимодействия – слабое взаимодействие. Описать его механизм невероятно трудно, поэтому мы пропустим матчасть. Скажем лишь, что между собой взаимодействуют не только кварки, которые разваливаются на более легкие частицы, но и лептоны. Там целая мелодрама, если честно.

А частицы, которые переносят взаимодействие, называются векторными бозонами. Их существуют три вида (с положительным зарядом W+, с отрицательным зарядом W- и без заряда Z0). И что удивительно, в отличие от фотонов и глюонов, эти бозоны имеют чудовищную массу – 85-96 масс протона.

Поэтому слабое взаимодействие происходит на еще более коротких расстояниях, чем сильное взаимодействие. Несмотря на то, что оно мало известно обывателю, лишь благодаря ему (и сильному взаимодействию, разумеется) наше Солнце светит (слабое взаимодействие участвует в превращении 4-х ядер протонов в ядро гелия).

Когда-то давно ученые объединили магнитное и электрическое взаимодействия в одно – электромагнитное. А в настоящее время мегамозги додумались до того, как объединить сразу все три вышеописанных взаимодействия в один тип.

Сначала они смогли объединить электромагнитное и слабое в единое – электрослабое. А потом втиснули к ним сильное взаимодействие.

Получилась более-менее устойчивая теория, названная Стандартной Моделью - мы о ней упоминали в предыдущей части.

Как же, спросите вы, можно считать безмассовый фотон и тяжелейший векторный бозон одной формой взаимодействия?

Ученые поднатужились и смогли это объяснить тем, что различия во взаимодействиях обнаружились по мере развития Вселенной. Когда случился Большой Взрыв – взаимодействие было всего одно, но Вселенная потихоньку остывала и взаимодействия начали оформляться в те виды, что мы знаем сейчас. Как три близнеца с возрастом приобретают индивидуальные черты - один остался худым, втортой - спортсмен, а третий жрет булки и растолстел.

Однако Стандартная Модель хорошо работает, если ее не спрашивать, а что такое масса, которая в Модели принята как сама собой разумеющаяся без всяких объяснений. Как бы физики не пыжились, но что такое масса до сих пор никто не знает. Почему одни частицы не имеют ее, а другие настолько тяжелые, что их масса сравнима с массой атома циркония?

Для ответа на этот вопрос один особо умный физик по фамилии Хиггс вспомнил идейки конца 19 века об эфире, который заполняет всё и везде. И он заявил, что на самом деле существует еще одно поле, пронизывающее всю Вселенную вдоль и поперек.

И вот, значит, откуда берется масса: поле Хиггса якобы тормозит летающие в нем кварки. Оно мешает кварку двигаться свободно, как ложка в банке меда. Степень сопротивления движению кварка и есть масса. Аналогия весьма некорректная с точки зрения истины, но очень наглядная для обывателя (к тому же мы украли ее у Дейва Голдберга и Джеффа Бломквиста).

Если вы более-менее поняли, что мы писали выше, то вы уже догадались, что частичка поля Хиггса, его квант, и есть тот самый неуловимый бозон Хиггса, с которым все носятся последние десятки лет. А неуловимый он потому, что, по-видимому, имеет очень большую массу, и для его открытия на коллайдере надо столкнуть протоны с чудовищной энергией (тогда есть вероятность, что выделится большой объем энергии для формирования той самой тяжелой частицы). Но пока в мире деньги интереснее тратить на войны и шубохранилища, чем на познание мира.

NB: однако к концу 2013 года ученые сошлись во мнении, что некоторая подозрительная частица, которую регистрируют на коллайдере с 2012 года, таки и есть бозон Хиггса, во всяком случае ее масса и происхождение соотвтетстует ожидаемым. И это очень круто!  См. ссылки ниже.

Ну, и наконец, четвертое взаимодействие, известное в нашей Вселенной, которое не лезет ни в какие ворота – это гравитация.

Ранее в предыдущих темах мы уже объясняли, что гравитация это не сила, а просто деформация пространства-времени и казалось бы, причем здесь квантовое взаимодействие?

Поэтому-то общая теория относительности и квантовая физика не дружат, и каждая считает другую за идиота. Гравитация в квантовой физике вроде как слон в посудной лавке. В общем случае гравитационное взаимодействие это очень слабое взаимодействие. Любой магнит на соответствующих размерах и расстояниях сильнее силы притяжения Земли. Что уж тогда говорить о силах внутри атомов.

Однако квантовым физикам чудовищными усилиями удалось впихнуть невпихуемое: они предположили, что существует частица, ответственная за деформацию пространства, она не имеет массы и движется со скоростью света. Частицу назвали гравитон, и с тех пор ее ищут, но она, похоже, еще более неуловима чем бозон Хиггса.

Гравитон удачно вписывается в картину мира во всяких мозговыносящих теориях типа теории супер-струн или М-теории, но для этого нужно доказать, что струны существуют.

Картинки про гравитон не найти, поэтому закрепляем матчасть.

На этом мы заканчиваем очередное краткое описание "полевой" материи нашей Вселенной. Хотим заметить, что частицы вещественной материи называют общим словом – фермион, а частицы взаимодействий – бозонами.

То есть фотоны, глюоны, гравитоны - это все бозоны. А нейтроны, электроны, протоны – фермионы.

Стандартная Модель в общем и целом ничего себе теория, но с каждым годом новые открытия на коллайдере подкидывают ей всякие трудновпихуемые гадости. Поэтому рано или поздно очередной Эйнштейн родится и наконец расскажет человечеству Теорию Всего (так ее называют оптимистичные физики). Мы лично в это верим.

NB: Все изображения взяты из гугла (поиск по картинкам) - авторство определяется там же.

Незаконное копирование текста преследуется, пресекается, ну, и сами знаете...

А сейчас внимание. Специально для заинтересовавшихся научпопом. В прошлом году я в этом сообществе выкладывал мои собственные переводы слайдов по Стандартной Модели с сайта particleadventure.org. Вот ссылки, которые помогут понять больше о свойствах нашей материи: