Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

Есть еще одна сила природы (из известных) – четвертая и последняя, которая также в основном ограничена пределами атомного ядра. Ее называют просто «слабым ядерным взаимодействием», а возникает она вследствие обмена бозонами W и Z между определенными частицами (точно так же, как кварки обмениваются глюонами, а электроны – протонами). Подобно сильному ядерному взаимодействию, эта слабая сила действует на очень коротком расстоянии; мы не можем непосредственно наблюдать ее воздействие. Между тем физические процессы, запускаемые этой силой, нам хорошо известны, ибо она заставляет протоны и нейтроны превращаться друг в друга, что, в свою очередь, приводит к бета-излучению – испусканию заряженных частиц из ядра. Бета-частицы бывают двух типов – электроны и их партнеры в антиматерии, позитроны, которые являются теми же электронами, но с противоположным зарядом. Весь процесс достаточно прост: если в ядре наблюдается дисбаланс между количеством протонов и нейтронов, что приводит к его нестабильности, то некоторое количество протонов или нейтронов преобразуется в свою противоположность, восстанавливая этот баланс. В таком процессе создается или испускается либо электрон, либо позитрон (что обеспечивает сохранение электрического заряда). Таким образом, ядро, обладающее слишком большим количеством нейтронов, подвергается бета-распаду, при котором нейтрон превращается в протон с испусканием электрона, причем отрицательный заряд последнего уравновешивает положительный заряд вновь образованного протона (поскольку первоначально существовавший нейтрон заряда не имеет). И наоборот, избыток протонов заставляет один из них превратиться в нейтрон плюс позитрон, который уносит положительный заряд протона, тем самым стабилизируя ядра.

Каждый из протонов и нейтронов содержит по три кварка, которые бывают двух типов (или ароматов), известных под незамысловатыми названиями «верхний» и «нижний». Эти два аромата связаны с разными долями электрического заряда. Протон содержит два верхних кварка, каждый с положительным зарядом, равным двум третям отрицательного заряда электрона, и один нижний кварк с отрицательным зарядом, который составляет одну треть электронного. В сумме они составляют +1, что соответствует положительному заряду протона. С другой стороны, нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего, так что его заряд равен нулю.

В целом существует шесть различных ароматов кварков, и у каждого – своя масса. Подобно верхнему и нижнему кваркам, которые составляют атомное ядро, остальные четыре получили совершенно произвольные наименования «странный», «прелесть», «топ» и «ботом». Эти кварки тяжелее, чем верхний и нижний, но существуют только мгновения. Наконец, кроме электрического заряда, кварки обладают еще одним свойством, которое называется цветовым зарядом и связано с сильным ядерным взаимодействием, оно помогает объяснить то, как кварки взаимодействуют друг с другом[16].

Электроны принадлежат к другому классу частиц, под названием лептоны, и их тоже шесть видов. Наряду с электронами, известны еще мюоны и тау (недолговечные тяжелые «кузены» электронов) и три вида нейтрино (очень легкие, почти неуловимые частицы, образующиеся в процессе бета-распада). Лептоны не воспринимают сильного ядерного взаимодействия и не несут цветного заряда.

Теперь подытожим. Согласно современным воззрениям, стандартная модель физики частиц говорит нам, что существует два вида частиц: материальные (фермионы), которые включают в себя шесть ароматов кварков и шесть – лептонов, и частицы – переносчики силы (бозоны), которые включают в себя фотоны и глюоны, W и Z, и, конечно, бозон Хиггса, о котором мы поговорим позже.

Если все эти рассуждения звучат слишком сложно, то вам будет приятно услышать, что в большинстве жизненных ситуаций их можно не учитывать. Все, что вы видите, – вся материя, из которой состоит наш мир, включая наши тела, все, что мы видим в космосе, – Солнце, Луна и звезды – состоит из атомов, а атомы, в свою очередь, только из двух видов частиц – кварков и лептонов. На самом деле атомы состоят только из кварков двух видов (верхних и нижних) плюс один вид лептонов (электрон). Вот и все. Если иметь это в виду, то основные строительные блоки материи даже менее сложны, чем четыре стихии древних греков.

Краткая история материи и энергии

Так как же вообще возникла вся материя? Чтобы это понять, нужно снова уменьшить масштаб и обратиться к исследованию космоса в самом широком плане.