Электромагнитные взаимодействия могут происходить и между удаленными зарядами, не находящимися в прямом контакте, однако только благодаря содействию фотона или некоторых других частиц, имеющих непосредственный контакт с обеими взаимодействующими заряженными частицами. В этом случае кажется, что заряды действуют друг на друга мгновенно, но такое впечатление создается только потому, что скорость света столь велика. На самом деле взаимодействие происходит за счет локальных процессов; фотон совмещается сначала с одной из заряженных частиц, а затем с другой. Поэтому поле должно родить и уничтожить фотон точно в тех местах, где находятся заряженные частицы.
Античастицы и позитрон
Квантовая теория поля указывает также, что у каждой частицы должен существовать двойник, известный как античастица. Том Стоппард в пьесе «Хэпгуд» говорит об античастицах: «Когда частица встречается с античастицей, они уничтожают друг друга, они превращаются во взрыв энергии, понимаешь?» Любой любитель научной фантастики знает об античастицах. Из них сделано оружие для уничтожения Вселенной, они являются топливом для кораблей в сериале «Звездный путь. Военный корабль „Энтерпрайз“»[86]
Хотя эти приложения выдуманы, сами античастицы вполне реальны. Они действительно входят составной частью в картину физики частиц. В теории поля и Стандартной модели античастицы так же существенны, как и частицы. На самом деле античастицы — это те же частицы, за исключением того, что все их заряды имеют противоположные знаки.
Античастицы впервые ввел Поль Дирак, развивая квантовую теорию поля, описывающую электрон. Он нашел, что квантовая теория, совместная как с квантовой механикой, так и со специальной теорией относительности, с необходимостью включает античастицы. Он не вводил их в теорию сознательно. Когда Дирак учел специальную теорию относительности, получившаяся теория сама выплюнула античастицы. Их существование есть необходимое следствие релятивистской квантовой теории поля.
Приведем грубое доказательство того, почему наличие античастиц является следствием специальной теории относительности. Заряженные частицы могут двигаться в пространстве вперед и назад. Согласно специальной теории относительности, такие частицы должны быть способны с таким же успехом путешествовать вперед и назад по времени. Однако, насколько мы знаем, ни частицы, ни что-либо еще, в существовании чего мы уверены, не могут на самом деле путешествовать назад по времени. Вместо этого движущиеся назад по времени частицы заменяются противоположно заряженными античастицами. Античастицы воспроизводят эффекты, которые случились бы с путешествующими назад по времени частицами, так что даже без последних предсказания квантовой теории поля совместимы со специальной теорией относительности.
Представим себе кинофильм, в котором заснят ток отрицательно заряженных электронов, распространяющихся из одной точки в другую. Затем вообразим, что кинофильм прокручивается назад. Отрицательный заряд в этом случае будет двигаться назад, или, эквивалентно (до тех пор, пока рассматривается заряд), положительный заряд будет двигаться вперед. Этот положительно заряженный распространяющийся вперед ток создается током позитронов, положительно заряженных античастиц электронов, который поэтому действует как обращенный во времени ток электронов.
Квантовая теория поля утверждает, что если существует некая заряженная частица, например, электрон, то должна существовать соответствующая античастица с противоположным зарядом. Например, так как электрон обладает зарядом -1, позитрон обладает зарядом +1. Античастица похожа на частицу во всех отношениях, кроме заряда. Заряд протона также равен +1, но сам протон в 2000 раз тяжелее электрона, и поэтому он не может быть его античастицей.
Как правильно говорит Стоппард, когда античастицы входят во взаимодействие с частицами, они действительно аннигилируют. Так как сумма зарядов частицы и ее античастицы всегда равна нулю, то они могут аннигилировать и взаимно уничтожиться. Суммарный заряд частицы и античастицы равен нулю, и из соотношения Эйнштейна E = mc2 следует, что вся масса может превратиться в энергию.
С другой стороны, энергия может превратиться в пару частица — античастица, если количество энергии достаточно для такого превращения. Как аннигиляция, так и рождение частиц происходят в ускорителях частиц больших энергий, на которых физики проводят эксперименты по изучению тяжелых частиц, масса которых слишком велика, чтобы обнаруживаться в обычном веществе. В таких коллайдерах частица и античастица сталкиваются друг с другом и аннигилируют, создавая вспышку энергии, из которой возникают новые пары частиц и античастиц.
Так как вещество, в частности атомы, состоит из частиц, а не античастиц, то можно утверждать, что такие античастицы, как позитрон, в природе не встречаются. Однако они могут быть созданы на короткое время на коллайдерах, в горячих областях Вселенной, и даже в больницах, где для выявления признаков рака используются позитронные эмиссионные томографы.
Джерри Габриэлзе, мой коллега по физическому факультету Гарварда, непрерывно занимается производством античастиц в подвале здания Джефферсоновской лаборатории, где я работаю. Благодаря исследованиям Джерри и других физиков, мы с высокой степенью точности знаем, что античастицы действительно идеально похожи на своих двойников частиц по массе и гравитационному притяжению, но имеют противоположный заряд. Однако количество этих античастиц очень мало и не может причинить никакого беспокойства. Могу заверить любителей научной фантастики, что эти античастицы причиняют зданию намного меньше повреждений, чем постоянные работы по строительству новых лабораторий и офисов, всегда сопровождающиеся большим количеством видимых и слышимых разрушений.
Электроны, позитроны и фотоны — это простейшие и наиболее доступные частицы. Не случайно электрические силы и электроны были первыми ингредиентами Стандартной модели, которые сумели понять физики. Однако электрон, позитрон и фотон не исчерпывают список известных частиц, а электромагнетизм — не единственное известное взаимодействие.
На рис. 32 и 33 (стр. 77) я привела список известных частиц и негравитационных взаимодействий[87]. Я изъяла из списка гравитационное взаимодействие, так как оно качественно отличается от других взаимодействий и должно рассматриваться отдельно. Несмотря на прозаические имена двух из этих взаимодействий — слабое и сильное, они обладают множеством интересных свойств. В следующих двух разделах мы увидим, что это за свойства.
Слабое взаимодействие и нейтрино
Несмотря на то что в повседневной жизни вы не замечаете слабого взаимодействия, потому что оно действительно слабо, это взаимодействие существенно для многих ядерных процессов. Слабое взаимодействие объясняет некоторые типы распада ядер, например, распад ядра калия-40 (К40) (обнаружен на Земле, распад достаточно медленный, в среднем один миллиард лет[88], так что за счет этого распада продолжает разогреваться сердцевина Земли), и, конечно, распад самого нейтрона. Благодаря ядерным процессам меняется структура ядер и число нейтронов в них, что приводит к высвобождению большого количества энергии. Эту энергию можно использовать в ядерных электростанциях или ядерных бомбах, а также в других целях.
Например, слабое взаимодействие играет важную роль в создании тяжелых элементов, образующихся во время катастрофических взрывов сверхновых. Слабое взаимодействие существенно также для свечения звезд, в том числе Солнца. Оно запускает цепочку реакций, в которых водород превращается в гелий. Приводимые в действие слабым взаимодействием ядерные процессы приводят к непрерывному изменению состава Вселенной. Из наших знаний ядерной физики можно вывести, что примерно 10 % первичного водорода во Вселенной было использовано в качестве ядерного топлива в звездах. (К счастью, оставшиеся 90 % водорода гарантируют, что Вселенной не придется в ближайшее время зависеть от посторонних источников энергии.)
Несмотря на важность слабого взаимодействия, ученые лишь сравнительно недавно определили его свойства. В 1862 году Уильям Томсон (позднее лорд Кельвин[89]), один из самых уважаемых физиков того времени, чрезвычайно недооценил возраст Солнца и Земли, так как он не знал о ядерных процессах, происходящих за счет слабого взаимодействия (которое, надо отдать ему должное, не было еще тогда открыто). У. Томсон основывал свою оценку на единственном известном источнике светимости — нагреве. Он вывел, что доступная за счет этого энергия способна поддерживать свечение Солнца не более 30 миллионов лет.
