Ок, прежде чем мы перейдем наконец к суперструнам, нам надо опять поговорить об элементарных частицах и стандартной модели. Современной физике известно четыре фундаментальных взаимодействия (или силы) - гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое, в основном с практически наблюдаемой точки зрения отвечающее за превращение химических элементов друг в друга. Про гравитацию мы сейчас забудем и вернемся к ней как раз в разговоре про суперструны. Про слабое взаимодействие мы забудем практически вообще - кому интересно, я про него немного писал в посте про W-бозон пару лет назад, но для концептуального разговора про струны оно не так важно
(хоть и является при этом чуть ли не основным источником проблем, но они слишком технические чтобы обсуждать в фейсбучике. Собственно, все изложение ниже чудовищно упрощенное и иногда меня самого корежит от написанного, но некоторые нюансы без ухода в математику, разницу между разными формулировками квантовой механики и теории поля итп передать совершенно невозможно. Плюс мы не касаемся очень важных материй совсем, например, различных симметрий).
- ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
Как мы обсуждали пару недель назад, мы - электромагнитная цивилизация. Все, чем мы худо-бедно овладели - это манипуляции электромагнетизмом, а кроме того, все наше тело и мозг воспринимают мир исключительно через электромагнетизм. Все мы знаем, что пальцы засовывать в розетку не надо - будет очень больно от электронов, ионизирующих наши клетки; все мы наслаждаемся красотой полевых цветов, воспринимая отраженные фотоны разных длин волн, ощущаемые нами как разные цвета, итд итп.
Благодаря электромагнетизму существуют атомы (отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительно заряженному ядру) и все разнообразие таблицы Менделеева, вся химия, все реакции между атомами и молекулами, все процессы в нашем организме - это взаимодействие “электронных облаков”.
Основные частицы электромагнетизма, известные нам всем - это электрон и фотон. При этом собственно сила возникает между зарядами благодаря тому, что электроны обмениваются фотонами (здесь корежит как написано выше, но в определенном приближении так и есть)) которые даже называют “частицы-посланники”, тк они “говорят” другой частице надо ли притягиваться или отталкиваться и с какой силой. Когда мы видим, что роза - красная - что на самом деле происходит это молекулы лепестков розы принимают в себя весь спектр совершенно разных энергий фотонов, что-то поглощая, что-то пропуская через себя; электроны этих молекул при поглощении переходят в состояние более высоких энергий (называемое возбужденным), а когда “успокаиваются” - испускают фотоны вполне определенной длины волны, которую мы воспринимаем как красный цвет.
Собственно, в глазу происходит обратный процесс - красные фотоны возбуждают электроны молекул сетчатки, это передается как сигнал нейронам мозга, и дальше происходит чудо, которое никто не может объяснить никак даже близко - мы “видим” изгибы и цвет лепестка.
Много много много удивительного в электромагнетизме еще, но для нас важно, что есть две частицы - частица материи электрон и частица, создающая силу между ними - фотон (который по счастливому совместительству дает нам возможность видеть, но вообще-то делает еще много чего).
Теперь давайте залезем внутрь атома - в ядро.
- СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
Размер атома порядка 10-10 m, а ядра - в 100,000 раз меньше. Для сравнения, если бы ядро было размером с баскетбольный мяч, атом бы занял 50 километров! Какое-то время, довольно короткое, физики считали ядро “неделимым”, но очень быстро доперли до протонов и нейтронов - очень похожих по массе частиц, но протон имеет положительный заряд, а нейтрон - нейтральный. Их открытие и роль мы с вами кратко обсуждали в серии про “Оппенгеймера”.
Уже здесь пристальное рассматривание таблицы Менделеева захватывает дух - смотрите что, у нас есть всего три кирпичика (частиц материи): протоны, нейтроны, электроны - и из них выстраивается ВСЕ разнообразие вселенной! Сначала из них строятся атомы - каждый следующий из которых ВСЕГО-ТО отличается от предыдущего на ОДИН протон и один электрон соответственно, но какие у них разные свойства у всех! Шесть протонов - углерод. Семь - уже азот, газ. Восемь - кислород, без которого никакая жизнь невозможна. Итп. Не чудо ли?! Ну а уж комбинации этих ста элементов со всем многообразием молекул дают следующий уровень.
В ядре есть одна проблема - как известно из электромагнетизма, одноименные заряды отталкиваются. Так каким тогда образом несколько (десятков) протонов плотно плотно обнявшись как котики на картинке не разлетаются с огромной скоростью?! Очевидно, должна быть какая-то еще сила, которая держит их вместе. Так мы и дошли до “сильного взаимодействия” - оно примерно в 100 раз сильнее электромагнитного - но как оно работает мы на этот момент не поняли.
Протоны и нейтроны довольно продолжительное время считались элементарными частицами. Вообще, после атомной бомбы в 50-60е года со строительством разных ускорителей открыли какое-то чудовищное количество “элементарных” частиц (эта картина неплохо видна в лекциях фейнмана по ядерной физике, а также в старых советских учебниках). Это никому особо не нравилось, так как физики очень любят красоту и элегантность, а что за элегантность когда у вас несколько сотен “элементарных” частиц, существующих с непонятной целью?
К счастью, в 1964 году открыли кварки и модель сильного взаимодействия после этого была полностью закончена в красивую симметричную теорию. Оказывается, существует еще 2 настоящие элементарные частицы в дополнение к электрону и фотону - так называемые up quark и down quark. И протон, и нейтрон состоят из них - протон это uud, а нейтрон - udd. Оказалось, что и те самые несколько сот “элементарных частиц” - всего лишь всякие разные комбинации кварков, массово рождающиеся в разных столкновениях частиц.
Сильное взаимодействие очень сильно отличается от знакомых нам гравитации и электричества - обе этих силы пропорциональны зарядам / массе и обратно пропорциональны квадрату расстояния. У массы есть только один “заряд”, у электричества - два (положительный и отрицательный). Кварки тоже обладают электрическим зарядом - у up это +⅔, а у down - -⅓ (отсюда получается нейтральность нейтрона и +1 у протона) и соответственно взаимодействуют электромагнитно, но главная их “цель” - служить частицами материи для сильного взаимодействия, носителями которого являются глюоны.
Смотрите, еще одна рифма-симметрия: электроны - материя, фотоны - носители; кварки - материя, глюоны - носители.
Кирпичиков все еще три, но это не протоны, нейтроны и электроны, а два разных вида кварков и электрон.
Типов заряда у сильного взаимодействия - аж 3, поэтому их назвали цветами (красный, синий, зеленый, что вы еще ожидали), и взаимодействуют друг с другом они по гораздо более сложным правилам, чем электрические. Кроме того, в отличие от электрически нейтрального фотона, носители сильного взаимодействия глюоны также обладают цветовым зарядом.
Сила между двумя кварками не ослабевает никогда - после определенного расстояния она всегда остается равной примерно 10,000 ньютонов (или 1000 килограмм силы - представляете, между двумя микроскопическими элементарными частицами - одна тонна, можно небольшой автомобиль подвесить!). Однако если продолжать закачивать энергию в пару кварков, пытаясь их разорвать, они образуют другу пару кварков между собой, фактически рождая новую частицу. Это называется color confinement и из-за этого эффекта свободные кварки наблюдать невозможно.
Однако, если сильное взаимодействие в 100 раз сильнее электромагнитного (в миллион раз сильнее слабого и в 10^38 степени сильнее гравитации), почему мы все со всей вселенной не превратились в плотненькую лужу кварков, притянувшись друг к другу с чудовищной силой?
Дело в том, что три кварка внутри протона связаны с чудовищной силой, но она почти вся друг друга “отменяет”, однако “чуть-чуть” этой силы остается как раз достаточно на то, чтобы держать протоны вместе в ядре. При этом эта «остаточная» сила с расстоянием падает очень-очень быстро, поэтому никакого притяжения между ядрами разных атомов по сути нет.
- ЧТО ДАЛЬШЕ
Итак, у нас есть: два кварка, электрон, фотон и глюон. Если сюда добавить еще слабое взаимодействие, оно добавляет еще две частицы-носителя - W и Z бозон (см отдельный пост) и еще есть одна частица материи - электронное нейтрино. Массу покоя элементарным частицам дает бозон Хиггса («как всем известно» ™ - то есть, вообще никто не понимает кроме трех человек). Вот и все (известные) кирпичики вселенной.
Однако не совсем. Оказывается, все частицы материи (два кварка, электрон, нейтрино) “повторяются” еще два раза с другими массами (более высокими).
Кроме этого, есть еще гравитация, которую когда пытаются считать квантовой-механическими методами на очень маленьких расстояниях (на 20 порядков меньше размера ядра) - все вообще ломается, получается куча бесконечностей, отрицательные вероятности и прочий нонсенс с физической точки зрения.
Все это очень беспокоит заметное количество физиков (не всех), и они все время пытаются придумать “теорию всего” - нечто, что объединит ВСЕ силы в одну красивую конструкцию. И чтобы кирпич был всего один желательно.
Единственный хоть сколько-то реалистичный кандидат на эту теорию сейчас - теория суперструн. Концептуально - очень простая и красивая. Математически и в деталях - невозможно сложная.
