События Дом

Цвета и ароматы вашего микромира

Мои друзья – в большинстве своём типичные гуманитарии – не верят мне, когда я им рассказываю о такой штуке, как квантовая хромодинамика. Точнее, о тех выводах, которые из неё следуют.

Цвета и ароматы вашего микромира

Квантовая хромодинамика (КХД) — это о строении протонов и нейтронов, а вовсе не о переменах цвета, как может показаться из-за названия этого направления физики (греческое χρῶμα [хрома] — цвет). В 60–70-е годы прошлого века, когда и стала зарождаться эта область физики, возникла эдакая глобальная общечеловеческая дискуссия: кто же важнее — физики или лирики? Дискуссия закончилась ничем, но настроения физиков в те годы были весьма лиричными. Кто застал эти замечательные времена, наверняка помнят, сколько прекрасных поэтов и бардов вышло из стен физических вузов. Поэтому многие физические открытия тех лет несут отблеск романтических настроений своих авторов.

До 60-х годов протоны и нейтроны считались фундаментальными, неделимыми частицами, но затем стало понятно, что и они из чего-то состоят. Это что-то было названо словом «кварк». Первооткрыватели кварков заимствовали это название из романа культового ирландского писателя Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Само слово (англ. — quark) считают звукоподражанием крику морских птиц. А фраза в романе звучит так: «Three quarks for Muster Mark!» На русский обычно переводится как «Три кварка для мюстера (искаженное мистер) Марка!» Роман к квантовой физике отношения не имеет, но именно из трех подчастиц состоит каждый протон или нейтрон, отсюда и идея назвать кварки кварками. Каждый кварк обозначен своим «цветом» . Но эти «цвета» не имеют никакого отношения к тому, что под цветом понимает всё остальное человечество: кварки значительно меньше длины световой волны и, следовательно, свет и цвет отражать не могут. В КХД «цвет» лишь условное обозначение одного из очень важных свойств кварков (грубо говоря, некоего аналога электрического заряда). Но кварки имеют и иные весьма примечательные свойства. Они бывают «верхними» и «нижними», «странными» и «очарованными», «прелестными» (или «красивыми») и «истинными». А ещё кварки обладают «ароматом». Все эти наименования, естественно, условны и отражают совершенно определенные физические характеристики, хорошо понятные лишь специалистам. Одним словом, кварки — истинные дети времени своего открытия.

Цвета и ароматы вашего микромира

Протоны. Это, естественно, схематическое изображение. На самом деле там всё непрерывно «кипит»

Всё это я рассказал так, к слову. Самое важное отнюдь не в этом. Напомню: всякий атом состоит из ядра и, как мы выяснили, электронного облака, где электроны находятся одновременно во всех разрешенных (по энергетическим уровням) состояниях. Ядро, в свою очередь, — из протонов и нейтронов, а те — из кварков. Самое же интересное в том, как это всё скрепляется: ведь те же протоны, например, имеют положительный заряд и должны, по идее, отталкиваться друг от друга. Но попробуйте вынуть хоть один из ядра стабильного элемента.

Современная физика выделяет четыре вида фундаментальных взаимодействий: электромагнитное, слабое (сегодня считается, что эти два — проявление в разных условиях одного и того же вида взаимодействия, которое называют электрослабым), а также сильное и гравитационное. Гравитационное — самый маломощный вид взаимодействия и на атомном и субатомном уровне чаще всего не учитывается вовсе. Так вот. Эти самые взаимодействия и отвечают за то, что разрозненные частицы собираются в единые комплексы, представляющие собой атомы, молекулы и всё то вещество, которое мы наблюдаем в мире.

Взаимодействия в квантовом мире происходят за счет обмена между фундаментальными частицами другим родом частиц — частицами переносчиками взаимодействий. Так, при электромагнитных взаимодействиях («плюс» притягивается к «минусу» или отталкивается от другого «плюса») электроны, протоны, кварки и другие частицы обмениваются безмассовыми фотонами. При слабом взаимодействии (оно действует только на микрорасстояниях) они обмениваются бозонами. Это уже частицы, обладающие массой, и при этом для субатомного мира довольно тяжелые. А при сильном взаимодействии между кварками в протонах и нейтронах происходит обмен частицами, называемыми глюонами. Их масса также нулевая.

Для того чтобы наглядно показать процесс взаимодействия в субатомном мире, физики прибегают к такого рода аналогиям. Допустим, по какой-нибудь реке движутся две лодки навстречу друг другу. В лодках две знакомые компании. И когда лодки поравнялись, с одной из них от полноты чувств перебросили своим друзьям бутылку шампанского. Но в этом случае из-за закона сохранения импульса обе лодки в какой-то степени изменят траектории своего движения, то есть провзаимодействуют. Или можно представить себе двух фигуристов, в ходе жанровой сценки обменивающихся на полном ходу ведром с водой. Совершенно очевидно, что обоим придется продемонстрировать в этот момент недюжинное мастерство, чтобы хотя бы устоять на ногах. (Эти примеры позаимствованы из энциклопедии Джеймса Трефила «Природа науки. 200 законов мироздания»).

Так как же организовано взаимодействие кварков между собой? Кварки имеют собственную массу. Очень небольшую. Но если три кварка объединяются в протон или нейтрон, их суммарная масса вырастает более чем в 60 раз! Почему так происходит? При взаимодействии между собой кварки производят частицы — переносчики взаимодействий глюоны (от англ. glue — клей, они как бы склеивают кварки друг с другом). Глюоны сами по себе не имеют массы. Но при взаимодействии с кварками и друг с другом они это самое взаимодействие материализуют: вокруг кварков образуется глюонное облако, которое уже приобретает массу. Замечательный пример эквивалентности энергии и массы: одно переходит в другое почти у нас на глазах (точнее, на глазах у физиков, которые наблюдают эти процессы в ускорителях элементарных частиц). Но, внимание! Откуда, собственно, берется эта энергия, которая затем превращается в массу? Ну, конечно же, всё из того же нуля, о котором мы говорим, начиная с первых статей, то есть из вакуума, а если точнее — из флуктуаций (спонтанных колебаний) вакуума. Причем колебания квантовохромодинамического вакуума, как это в данном случае называется, приводит к постоянному появлению и исчезновению виртуальных кварков и антикварков. Так что протоны и нейтроны (как и всё вещество в этом мире) существуют в известном нам виде лишь в среднем, а на самом деле постоянно превращаются то в одну, то в другую экзотическую частицу.

 Цвета и ароматы вашего микромира

 

При этом если троицу кварков, образующих, допустим, протон, попробовать разорвать, одиночного кварка мы так и не получим. Во-первых, сделать это непросто потому, что в отличие от всего остального в этом мире, чем дальше кварки друг от друга, тем больше становятся связывающие их силы, причем силы огромные: «в покое» кварк притягивается к кварку где-то с силой в 14 тонн, и это при невероятно малых их размерах! И во-вторых, если вам всё-таки удастся выбить кварк из протона или нейтрона, то он оторвётся вместе с кусочком глюонного облака и тут же нарастёт кварк-антикварковой парой, что-то проаннигилирует, что-то, наоборот, добавится, всё это вместе превратится в одну из короткоживущих частиц (существующие миллионные, миллиардные доли секунды), которая, в свою очередь, распадётся на другие, более стабильные частицы, фотоны, например. Протон же, от которого этот кварк оторвали, тут же регенерирует: в нём будет восстановлен и недостающий кварк и кусочек глюонного поля взамен оторванного. И все эти превращения происходят, повторю, за счет энергии вакуума (если не считать той энергии, которая была затрачена на то, чтобы протон или нейтрон разорвать, и которая дала толчок всем этим последующим преобразованиям).

Цвета и ароматы вашего микромира

Возникновение кварк-глюонной плазмы на одном из ускорителей при столкновении ядер золота

Эта картина проверена-перепроверена во множестве экспериментов, и за работы в области КХД некоторые ученые уже получили Нобелевские премии.

Так что, уважаемые читатели (а особенно читательницы), когда вы в очередной раз подходите взвеситься, не волнуйтесь, и, взвесившись, не расстраиваетесь: на 98–99% вы измеряли, как там внутри вас происходят флуктуации вакуума. А на один с небольшим процент уточняли, всё ли в порядке с так называемым хиггсовским механизмом, который обеспечивает спонтанное нарушение симметрии всё того же вакуума. Благодаря последнему появляется масса у электронов и самих кварков. Таким образом, вся масса, а иными словами, всё вещество, образуется из энергии вакуума. Так стоит ли, взвесившись, расстраиваться из-за какого-то там вакуума?

Цвета и ароматы вашего микромира

Некоторые физики вполне серьёзно призывают отказаться от употребления термина «вакуум», так как он изначально предполагал пустоту. В то же время, как мы видим, никакая это не пустота, а тот самый нолик, который можно обозначить и так: 0 = (+ ∞) + (— ∞). То есть это ноль, содержащий бесконечность. Поэтому родился и широко используется такой физический термин как вакуумный конденсат, например: вакуумный конденсат хиггсовского поля; кварковый, глюонный вакуумный конденсат и т. п.

Строго говоря, нет ничего удивительного в том, что всё, что мы видим вокруг себя возникает из НИЧЕГО. Такая картина и должна наблюдаться в мире, созданном из ничего. Удивительно совсем другое: каким образом это возникновение чего-то из ничего столь очевидно упорядочено?

Флуктуации — вещь спонтанная. Напомню, что они следствие принципа неопределенности Гейзенберга, о чем мы говорили в третьей статье. И когда речь заходит о флуктуациях, сама собою напрашивается аналогия с атмосферной молнией. Молния — родственница флуктуаций, но дальняя: это макроскопическое, отнюдь не виртуальное явление, и всякий раз несёт с собой вполне ощутимый материальный эффект. Думаю, убеждать кого-либо в этом мне нет необходимости. Впрочем, разве возникновение массы не ощутимый материальный эффект? А реализуется он благодаря виртуальным квантовым процессам. Да и наша макроскопическая молния не могла бы родиться без этих процессов.

Цвета и ароматы вашего микромира

Но в абсолютном большинстве случаев в хаотичности флуктуаций мы видим целесообразность и упорядоченность. Бесконечная энергия вакуума используется строго в ограниченном объёме. Я что-то не слышал, чтобы кто-то стал жертвой не в меру распоясавшейся квантовомеханической флуктуации, а ведь энергии там могут возникать действительно бесконечные! Но эта энергия используется на созидание: весь видимый мир питается энергией флуктуаций. Каков механизм этого созидания? Как, в какой форме установлены законы, согласно которым ежедневно, ежечасно, ежесекундно строится этот мир? Как выстраивается эта Вселенная, рожденная из ничего?

Откуда плюсик знает, что ему надо переслать виртуальный (подчеркиваю, виртуальный, так как если разбираться до конца, то все частицы — переносчики взаимодействий виртуальны, но как в случае с глюонным облаком, иногда могут и материализоваться) фотон минусику, чтобы к нему притянуться? Или наоборот, такой же фотон другому плюсику, чтобы от того оттолкнуться? А глюоны с кварками? Откуда им известно, как и какое количество вакуумной энергии использовать, чтобы породить в одном случае протон, в другом — нейтрон? Как и зачем возникают поля? Откуда появляются их свойства? Зачем вакуумному полю с нулевой энергией возмущаться и порождать какие-то там сгустки энергии, если, как мы уже с вами говорили, всякая система стремится к своему самому низкому энергетическому уровню? Кто придумал, что разные поля и частицы должны взаимодействовать между собой?

И при этом всегда и везде будет соблюдаться закон сохранения энергии. А вы, уважаемые читатели, знаете, что такое энергия и откуда она берется? И почему существует универсальный закон её сохранения? А вот великие умы, крупнейшие физики-теоретики, вам на этот вопрос не ответят. Нет, конечно, приведут определение (а их множество, у каждого — своё), напишут десятки, а может быть, сотни формул, включающих символ энергии. И всё объяснение сведётся примерно к следующему: энергия — это нечто, с помощью чего можно совершить работу и что сохраняется. А вот что это по существу? Нет, никто не ответит. Не верите? Вот слова одного из величайших физиков XX века Ричарда Фейнмана, по лекциям которого уже много десятилетий обучались и обучаются студенты-физики по всему миру:

«Существует факт, или, если угодно, закон, управляющий всеми явлениями природы, всем, что было известно до сих пор. Исключений из этого закона не существует; насколько мы знаем, он абсолютно точен. Название его — сохранение энергии. Он утверждает, что существует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Само это утверждение весьма и весьма отвлеченно. Это по существу математический принцип, утверждающий, что существует некоторая численная величина, которая не изменяется ни при каких обстоятельствах. Это отнюдь не описание механизма явления или чего-то конкретного, просто-напросто отмечается то странное обстоятельство, что можно подсчитать какое-то число и затем спокойно следить, как природа будет выкидывать любые свои трюки, а потом опять подсчитать это число — и оно останется прежним[выделено – Д.О.]. (Фейнмановские лекции по физике. Том I).

Цвета и ароматы вашего микромира

Ричард Фейнман (1918 – 1988), выдающийся американский физик, лауреат Нобелевской премии, создатель учебника «Фейнмановские лекции по физике», который до сих пор считается одним из лучших учебников по общей физике

Драматизм нашего (общечеловеческого) непонимания фундаментальных явлений собственного мира, где мы живём, лишь обострится, если мы с вами вспомним, что сохранятся-то это нечто (энергия) сохраняется, но в конечном итоге сумма этого сохранения завершится всё равно нулём именно потому, что суммарная энергия Вселенной, как мы говорили раньше, равна нулю. Так какую же работу энергия совершает, «какие трюки выкидывает»? Получается,  работу нулевую и «трюки» нулевые.

Вот уж, действительно, пустые хлопоты: Сизифов труд какой-то. Но какой ювелирный!

И вряд ли мы сможем даже попытаться разобраться в том, что же всё это означает, если не познакомимся хотя бы в общих чертах с таким понятием, как информация. Чему я и надеюсь посвятить следующую статью. опубликовано econet.ru

 

Источник: http://econet.ru/

Комментарии (Всего: 0)

Добавить комментарий

Что-то интересное

    Больше материалов
    Больше материалов
  • facebook
    Нажмите Нравится,
    чтобы читать Econet.ru в Facebook
    Спасибо, я уже с Econet.ru!