Суперсила - Пол Девис

Человечество познакомилось со слабым взаимодействием, так и не осознав этого события, еще в 1054 г., когда китайские астрономы отметили появление яркой голубой звезды в той области неба, где раньше не наблюдалось ничего. Соперничая в блеске даже с планетами, звезда ярко светила на протяжении нескольких недель, а затем стала медленно угасать. Современные астрономы считают вспышку 1054 г. взрывом сверхновой – гигантским по силе взрывом старой звезды, вызванным внезапным коллапсом ее ядра, который сопровождается кратковременным испусканием огромного количества нейтрино. Обладающие только слабым взаимодействием, эти нейтрино тем не менее разметали наружные слои звезды в космическом пространстве, образовав клочья облаков расширяющегося газа. Ныне сверхновая 1054 г. наблюдается в виде туманного светлого пятнышка в созвездии Тельца.

Сверхновые – один из немногих случаев зримого проявления слабого взаимодействия. Это взаимодействие действительно очень слабое, оно значительно уступает по величине всем взаимодействиям, кроме гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий.

К мысли о существовании слабого взаимодействия ученые продвигались медленно. Все началось в 1896 г., когда Анри Беккерель, исследуя загадочное почернение фотографической пластинки, оставшейся в ящике письменного стола радом с кристаллами сульфата урана, случайно открыл радиоактивность. Систематическое исследование радиоактивного излучения было предпринято Эрнестом Резерфордом; он установил, что радиоактивные атомы испускают частицы двух различных типов, которые назвал альфа и бета. Тяжелые положительно заряженные альфа-частицы, как выяснилось, представляли собой быстро движущиеся ядра гелия. Бета-частицы оказались летящими с большой скоростью электронами.

В деталях явление бета-радиоактивности оставалось не до конца понятным вплоть до 30-х годов. Бета-распад обладал в высшей степени странной особенностью. На первый взгляд казалось, что в этом распаде нарушается один из фундаментальных законов физики – закон сохранения энергии. Часть энергии куда-то исчезала. Вольфганг Паули “спас” закон сохранения энергии, предположив, что вместе с электроном при бета-распаде вылетает еще одна частица, нейтральная и обладающая необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Она-то и уносит с собой недостающую энергию. Энрико Ферми назвал частицу-невидимку “нейтрино”, что означает “маленькая нейтральная частица”. Нейтрино оказались настолько неуловимыми, что достоверно обнаружить их удалось лишь в 50-х годах.

Однако загадочность оставалась. Электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но физики располагали неопровержимыми доказательствами, что внутри ядер таких частиц нет. Откуда же они возникали? Ферми высказал предположение, что электроны и нейтрино до своего вылета не существуют в ядре в “готовом виде”, а каким-то образом мгновенно образуются из энергии, запасенной радиоактивным ядром. К тому времени было показано, что с точки зрения квантовой теории испускание и поглощение света можно интерпретировать как рождение и уничтожение фотонов; гипотеза Ферми означала, что подобное может происходить с электронами и нейтрино.

Свойства свободных нейтронов подтверждали гипотезу Ферми. Предоставленные самим себе, нейтроны через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино. Одна частица исчезает, а три новые появляются. Вскоре стало ясно, что известные силы не могут привести к такому распаду. Бета-распад, видимо, вызывался какой-то иной силой. Измерения скорости бета-распадов показали, что соответствующее этой силе взаимодействие чрезвычайно слабое, гораздо слабее электромагнитного (хотя и гораздо сильнее гравитационного).

С открытием нестабильных субъядерных частиц физики обнаружили, что слабое взаимодействие вызывает множество других превращений. Большинство известных частиц участвуют в слабом взаимодействии. Для неуловимого нейтрино слабое взаимодействие (не считая гравитации)—единственный способ проявить себя.

По своему характеру слабое взаимодействие совершенно не похоже как на гравитационное, так и на электромагнитное. Во-первых, если не считать таких явлении, как взрывы сверхновых, оно не создает тянущих или толкающих усилий в том смысле, как это принято понимать в механике. Слабое взаимодействие вызывает превращения одних частиц в другие, часто приводя продукты реакции в движение с высокими скоростями. Во-вторых, слабое взаимодействие ощутимо только в областях пространства чрезвычайно малой протяженности. Радиус действия слабых сил удалось точно измерить только в начале 80-х годов. Долгое время до этого считалось, что слабое взаимодействие по существу точечное и охватывает слишком малую область пространства, чтобы ее размеры можно было оценить. В отличие от “дальнодействующих” гравитации и электромагнетизма слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10-16 см от источника. Следовательно, оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается отдельными субатомными частицами.

Хотя разработанная Ферми и другими физиками в 30-е годы теория слабого взаимодействия непрерывно совершенствовалась, некоторые глубокие противоречия в ней все же не удалось устранить, и стало очевидно, что она не обеспечивает подлинного понимания слабого взаимодействия. Новая теория, заимствовавшая основные идеи Ферми, но дополненная рядом принципиально новых соображений, была создана в конце 60-х годов Стивеном Вайнбергом, работавшим тогда в Гарвардском университете (США), и Абдусом Саламом из “Империал колледжа” (Лондон). Создание новой теории слабого взаимодействия явилось самым крупным шагом (с момента создания Максвеллом теории электромагнитного поля) на пути к суперсиле; о ней мы подробно расскажем в гл. 8.

Представление о существовании сильного взаимодействия постепенно складывалось по мере того, как прояснялась структура атомного ядра. Что-то должно было удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация для этого слишком слаба; очевидно, необходимо какое-то новое взаимодействие, более сильное, чем электромагнитное. Но за пределами ядра сильное ядерное притяжение не ощущается, поэтому радиус действия новой силы должен быть очень мал. Действительно, сильное взаимодействие резко падает на расстоянии от протона или нейтрона, превышающем примерно 10-13 см. Следовательно, хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, оно не может непосредственно проявляться в макроскопических телах.

Сильное взаимодействие испытывают протоны и нейтроны, но не электроны. Нейтрино и фотоны также не подвластны ему. Вообще в сильном взаимодействии участвуют только более тяжелые частицы. Оно проявляется и как обычное притяжение, не позволяющее разваливаться ядру, но вместе с тем и как слабая сила, вызывая распад некоторых нестабильных частиц. Вследствие своей большой величины сильное взаимодействие является источником огромной энергии. По-видимому, наиболее важный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, – это свечение Солнца. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Именно в результате этого взаимодействия высвобождается энергия водородной бомбы.

Первые попытки объяснить природу сильного взаимодействия не принесли особого успеха. Ни одно из простых математических описаний процесса не было вполне удовлетворительным. Сильное взаимодействие, по-видимому, довольно сложным образом зависит от расстояния, и тем, кто старался моделировать его свойства, приходилось вводить в расчеты много произвольных параметров. Создавалось впечатление, что сильное взаимодействие представляет собой сплав взаимодействий с самыми различными свойствами.

А пока физики-ядерщики пытались преодолеть эти трудности, в начале 60-х годов была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из трех кварков. Чтобы это “трио” кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий “клей”; оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон “прилипает” к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая – на скрепление двух трио кварков друг с другом.