Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Йостейн Рисер Кристиансен

С другими силами природы также связаны переносчики взаимодействия, задействованные в обмене силами между частицами. В Стандартной модели есть три еще не рассмотренные нами частицы: глюон, W-бозон и 2-бозон. Глюон — переносчик так называемого сильного ядерного взаимодействия, в то время как W- и 2-бозоны — переносчики слабого взаимодействия.

Подведем итоги:

Фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия.

Глюоны — переносчики сильного ядерного взаимодействия.

W- и Z-бозоны — переносчики слабого взаимодействия.

Сильное ядерное взаимодействие

Сильное ядерное взаимодействие происходит между кварками. Благодаря этому взаимодействию объединяются верхние и нижние кварки, образуются протоны и нейтроны. А потом уже нейтроны и протоны с помощью сильного взаимодействия объединяются в ядра атомов.

Насколько сильнб сильное ядерное взаимодействие? Давайте сравним его с электромагнитным взаимодействием. Как вы, возможно, помните, дополнительных электронов на Луне и Земле, равных массе коровы, хватило бы, чтобы сделать электрические силы столь же мощными, как гравитационные силы между двумя небесными телами. И в то же время мы помним, что чем короче расстояние между зарядами, тем сильнее напряженность электрического поля. Каждый раз, когда расстояние между зарядами уменьшается вдвое, напряженность сил возрастает в четыре раза. Расстояние между двумя протонами в ядре атома — всего 10-15 метров (одна миллионная нанометра), поэтому и отталкивающие электрические силы между протонами должны быть огромными. Тем не менее атомное ядро может содержать множество протонов, и, несмотря на огромные отталкивающие электрические силы, сильному ядерному взаимодействию удается преодолеть их и не дать ядру распасться. Недаром же его называют сильным.

Сильное взаимодействие происходит благодаря глюонным частицам. Глюоны обладают некоторыми забавными свойствами, которые, в свою очередь, делают ядерные взаимодействия уж очень особенными. На расстояниях около 10-15 метров (типичном расстоянии между частицами в атомном ядре) сильное ядерное взаимодействие будет обладать притягивающими свойствами и помогать ядру удерживать все частицы вместе. Если мы попытаемся сжать ядро сильнее, то сильное взаимодействие внезапно станет отталкивающим. А если отойти на расстояние чуть больше 10-15 метров, то это взаимодействие очень быстро ослабеет и станет совершенно незначительным. Таким образом, электромагнитные и гравитационные силы быстро начнут преобладать по мере увеличения расстояния между частицами ядра. Так что, если вам удастся отодвинуть протоны в атомном ядре немного дальше обычного, сильное ядернос взаимодействие резко потеряет контроль над ситуацией. Отталкивающиеся электрические заряды перейдут в наступление и разорвут атомное ядро в клочья. В некоторой степени это упрощенное описание того, что происходит на атомной электростанции.

Лично мне трудно представить себе сильное ядерное взаимодействие, не вспомнив ребенка, прилипшего влажным языком к холодному металлическому забору. В этой ситуации язык играет роль глюона. В отличие от сильного ядерного взаимодействия, силы, из-за которых ребенок прилип к холодному металлу, остаются, лишь пока язык полностью прилегает к поверхности. Стоит ребенку рывком вырваться из плена, удерживавшие его силы быстро исчезнут и станут незначительными.

Мы уже поняли, что гравитационные силы действуют между частицами, обладающими массой, а электромагнитные силы — между частицами с электрическим зарядом. Точно так же сильное взаимодействие существует только между частицами, имеющими то, что мы называем цветовым зарядом. Такое название не имеет никакого отношения к привычным нам цветам; это лишь способ описать характеристики некоторых частиц. Аналогия с цветами появилась из-за того, что существует три типа таких зарядов: красный, зеленый и синий. Таким образом, мы сопоставляем их с тремя основными доступными человеческому глазу цветами. Цветовой заряд бывает только у кварков и глюонов.

Стоит обратить внимание на то, что цветовой заряд имеют не только кварки, но и глюоны. Это означает, что глюоны, участвующие в сильном ядерном взаимодействии, способны, взаимодействуя, еще и влиять друг на друга. Это как если бы у фотонов были электрические заряды и они начали отталкивать и притягивать друг друга, излучая новые фотоны во время своего путешествия по космическому пространству. Это бы все только усложнило. И тот факт, что у глюонов есть цветной заряд, также частично объясняет, почему сильные ядерные взаимодействия ведут себя настолько странно.

Если мысленно вернуться к эпизоду с примерзшим языком ребенка, то на этот раз можно представить, что ребенок вырывается и отчаянно пытается освободиться от металлического забора. Тлюоны (язык) сами по себе имеют цветной заряд, а значит, способны самостоятельно образовывать новые глюоны — это все равно как если бы всё более отчаянные рывки ребенка привели к появлению новых языков. Чем сильнее ребенок тянет, тем больше появляется языков, которые еще сильнее приковывают ребенка к металлической поверхности.

Как вы понимаете, расстояния важны для фундаментальных сил. Расстояния также играют не последнюю роль в последнем из четырех фундаментальных взаимодействий, то есть слабом. Но, прежде чем мы приступим к его рассмотрению, давайте разберемся до конца с тремя другими взаимодействиями и посмотрим на радиус их действия:

• При расстояниях меньше 10-15 метров: всем управляет сильное ядерное взаимодействие до тех пор, пока существуют частицы с цветовым зарядом. Электрические силы и гравитация свои пять копеек тут вставить особо не могут.

При расстояниях от 10-15 метров до нескольких метров: во главе угла — электромагнитное взаимодействие. Расстояния становятся слишком большими для сильного ядерного взаимодействия, а силы гравитации слишком слабы, чтобы кто- то спрашивал их мнение.

При расстояниях от нескольких метров и выше: гравитационное взаимодействие становится все могущественнее. В таких масштабах большинство объектов имеет нулевой электрический заряд, и поэтому электромагнитное взаимодействие молчит в сторонке.

Слабое взаимодействие

Слабое (ядерное) взаимодействие играет в физике ту же роль, что и саксофонное соло в песнях. Хотя оно, очевидно, не главный герой, но зато связывает все воедино и придает смысл. Без слабого взаимодействия Вселенную было бы не узнать, да и нас бы в ней не было. Кроме того, многое указывает на то, что слабое взаимодействие необходимо для понимания и открытия свойств частицы темной материи.

Слабое взаимодействие участвует в ряде процессов, происходящих в атомном ядре. Эти процессы, в частности, не дают нейтрону исчезнуть, превратившись в протон, электрон и так называемое антинейтрино. Этот процесс известен как бета-распад. Из-за возможности спонтанного бета-распада нейтроны — нестабильные частицы. Если нейтрон просто одиноко дрейфует в пространстве, то он, скорее всего, исчезнет в течение четверти