2.18. Физика элементарных частиц
Так что же представляет собой материя? Ведь ее основные свойства – масса и заряды – оказываются обусловленными полевой средой. В физике Ньютона масса тел рассматривалась как мера количества материи, содержащейся в них. Чем больше тело, тем больше в нем частиц или материи, тем больше его масса. Существует даже эталон массы – тело с количеством материи, принятым за единицу. В релятивистской физике суть этих представлений во многом сохранилась. Только роль меры количества материи перешла к неизменной массе покоя объектов.
Во всех современных представлениях масса фигурирует в качестве «врожденной» характеристики объекта. Своеобразной «собственности» тела. Благодаря этому взгляду в современной физике выстроена цепочка базовых кирпичиков Мирозданья – элементарных частиц. Причем масса покоя каждой частицы является крайне важной фундаментальной константой. Существует даже идеалистический взгляд на физику, согласно которому все явления природы должны описываться неким уравнением (или системой уравнений), а его корни будут представлять собой как раз ряд чисел, равных массам всех известных элементарных частиц.
Полевая физика в корне разрушает эту иллюзию. Потому что стройный ряд масс элементарных частиц будет совершенно иным в условиях увеличения или уменьшения интенсивности всех внешних полей, в которых производятся измерения. Эталон массы будет иным, если перенести его с Земли ближе к центру Галактики, или же, напротив, удалить подальше от него! Это обстоятельство имеет значение и для всех элементарных частиц. Их массы, приведенные в многочисленных таблицах как фундаментальные физические константы, например, масса покоя электрона или протона, являются таковыми только на поверхности Земли и только в обычных условиях!
Но даже если ограничиться только Землей, то массы элементарных частиц очень сильно зависят от локальных взаимодействий. Например, под действием полей других частиц или ядер, а также в сильных полях ускорителей или экспериментальных установок, масса электрона может во много раз превышать свою массу покоя и именно такое поведение наблюдается во всех экспериментах. Только интерпретация этого явления связана с формальной релятивистской зависимостью массы от скорости, которую электрон приобретает в процессе движения в этих сильных полях. С позиций полевой физики все такие изменения массы происходят в согласии с полученной нами формулой полевой массы. И мы строго докажем это в четвертой главе.
А сейчас давайте представим себе, что мы смогли экранировать все внешние поля, в том числе и глобальное взаимодействие. Мы просто взяли и «выключили» их. Сделали все частицы изолированными друг от друга. Другими словами, мы убрали связующую полевую среду. Тогда массы всех элементарных частиц станут равными нулю! Также, как и их заряды! Пропадет всякое различие между всеми типами элементарных частиц. Останется только одна единственная элементарная частица! Самая элементарная.
Несмотря на идеалистичность подобного «выключения» всех внешних полей, мы получили не столь уж бестолковый результат. В современной физике существует представление о подобной частице, у которой отсутствует электрический заряд, а масса является нулевой. Эта частица носит название нейтрино. Это своеобразная частица-«призрак», лишенная всех основных свойств материальных частиц.
Похоже, что нейтрино и есть та самая базовая элементарная частица нашего Мира! Всего одна! Благодаря отсутствию зарядов и массы ее невозможно зарегистрировать напрямую. Она вообще крайне слабо взаимодействует со всем остальным Миром. Однако ее существование следует из косвенных экспериментов по бета-распаду, а также из других похожих реакций. И сам факт экспериментального обнаружения такой неуловимой частицы является очень примечательным!
В философии полевой физики рождение нейтрино означает, что в подобных реакциях одна из исходных частиц теряет связь с полевой средой. Более наглядно это можно представить в модели полевых оболочек. Частица теряет свою полевую оболочку, в результате чего у нее пропадают свойства зарядов, и как результат этого, пропадает масса. Такая частица становится «призраком», который мы можем назвать «голой» частицей. Частицей без оболочки, не связанной с полевой средой. И такая частица становится невидимой для всего остального Мира!
Мы можем проследить механизм этого процесса на примере электронного захвата, когда протон и электрон преобразуются в нейтрон с испусканием нейтрино:
В этой реакции полевая оболочка протона сливается с полевой оболочкой электрона. В результате этого электрические свойства общей оболочки оказываются скомпенсированными, и протон становится электрически нейтральным нейтроном. А его масса в результате такого объединения становится чуть больше массы протона. Причем разница как раз имеет порядок массы электрона! А электрон в процессе такой реакции остается вообще без полевой оболочки! Он становится частицей-«призраком» под названием нейтрино, которая не имеет ни заряда, ни массы (рисунок 2.18.1).
Снова вернуться в наш Мир такой частице-«призраку» оказывается очень не просто. Не имея полевой оболочки, она не может взаимодействовать с другими частицами, не может «чувствовать» их на расстоянии. Хотя, как мы знаем из экспериментов, существуют и обратные реакции, в процессе которых на базе нейтрино может вновь возникнуть полноценная частица. Например, это реакция распада нейтрона под воздействием нейтрино (рисунок 2.18.2):
Такая реакция с частицей без полевой оболочки не может происходить по обычной схеме взаимодействия заряженных частиц, которую мы рассматривали в этой главе. Похоже, что частица-«призрак» может проявить себя лишь оказавшись в непосредственной близости от другой частицы, в результате чего для нее возникает возможность вновь встроиться в полевую среду и вызвать обратное разделение нестабильной полевой оболочки на две части. Понятно, что подобные процессы имеют очень невысокую вероятность. Их отличие от обычных взаимодействий заряженных частиц на расстоянии такое же, как отличие обычного снаряда от самонаводящейся ракеты.
Получается, что мы столкнулись с принципиально новыми обстоятельствами и совершенно иным классом явлений. Развивая модель взаимодействия заряженных частиц, мы поняли, что они представляют собой связанное состояние самих частиц с полевой средой. В классическом приближении это были жестко связанные с частицей полевые оболочки. В квантовом случае – единая полевая среда группы частиц. Но при этом мы не задавали себе вопросов о том, как подобное связанное состояние возникает, насколько оно стабильно, может ли оно распасться, и могут ли частицы и полевая среда существовать по отдельности?
Все эти вопросы не были актуальны, пока речь шла о взаимодействии стабильных частиц. Пока нас интересовала только динамика самих частиц, а не их внутренняя структура или их преобразования. Теперь же становится понятно, что частица, похоже, может вообще выпасть из полевой среды и исчезнуть для всех обычных взаимодействий! Это может произойти даже с двумя или большим количеством частиц, а подобное явление носит название «аннигиляции». В процессе «аннигиляции» материальные частицы с противоположными характеристиками просто исчезают, потеряв свойства зарядов и массы, и становятся не обнаруживаемыми обычными средствами. Как правило, при этом возникают сильные возмущения полевой среды – высокочастотные колебания, известные в современной терминологии как гамма-кванты.
Более того, исчезнувшие для обычных взаимодействий частицы-«призраки» могут вновь образовать связанное состояние с полевой средой. В одном случае это происходит благодаря слиянию частицы-«призрака» с полноценной частицей и разделению полевой оболочки последней на две части. В другом – благодаря наличию тех самых сильных высокочастотных колебаний полевой среды, которые могут вызвать образование связанного состояния частиц-«призраков» со средой. Это создает видимость рождения новых частиц из ничего.
Но даже если все частицы находятся в рамках полевой среды и не выходят за ее пределы, могут происходить самые разнообразные преобразования их свойств. Полевые оболочки могут перетекать от одной частицы к другой, в результате чего будет происходить обмен зарядами. Несколько оболочек могут слиться в одну, или наоборот, одна оболочка может разделиться на несколько. Все это создает видимость «распадов» одних частиц и «рождения» других. Хотя всех этих частиц, как самостоятельных элементарных объектов, на самом деле не существует! Как и не существует их реального «рождения» и «распада».
В идеологии полевой физики все преобразования элементарных частиц сводятся к формированию различных связанных состояний базовой «голой» частицы и полевой среды! Подобно тому как в химии все реакции сводятся к обмену атомами и преобразованием одного связанного состояния атомов к другому, так в полевой физике все реакции с преобразованиями элементарных частиц сводятся к обмену их полевыми оболочками и переходу от одного связанного состояния к другому.
Одни связанные состояния оказываются устойчивыми, как электрон или протон. На их основе образуются сложные материальные структуры. Сначала атомы элементов таблицы Менделеева, а потом молекулы и их группы. Так возникает известный нам материальный Мир. Другие состояния являются неустойчивыми и соответствуют частицам с малым временем жизни. Какие-то состояния вообще не могут возникнуть и такие частицы никогда не наблюдаются, что в современной физике определяется множеством квантовых законов сохранения и правил запрета.
В связанном состоянии с полевой средой частица приобретает то или иное свойство заряда. Причем чуть позже мы сможем даже «нащупать» механизм возникновения дискретности этого свойства. А в результате взаимодействия с другими полями возникает свойство массы. Получается, что весь известный на сегодня спектр элементарных частиц не более чем набор возможных связанных состояний базовой частицы и разных компонент полевой среды!
Следует упомянуть еще одну забавную причину, создающую иллюзию обнаружения новых «частиц» и заметно увеличивающую их спектр. Причину, которая становится понятна только на основании представлений о динамической природе массы. Речь идет о том, что в экспериментах локальные поля могут сильно искажать массы известных частиц и создавать видимость регистрации новых «частиц». «Частиц», очень похожих на известные ранее, но с большей массой покоя и меньшим временем жизни.
В одних случаях роль таких локальных полей могут играть поля других частиц и ядер, участвующих в реакциях. В других случаях – поля экспериментальных установок и ускорителей. Нередко эти поля имеют некую типичную величину или порядок величины, в результате чего могут систематически регистрироваться «частицы» с массой, завышенной на некое характерное значение. А отклонения величин масс, полученных в каждом отдельном эксперименте, от принятого значения массы покоя новой «частицы» могут быть нивелированы нужным значением ее скорости благодаря использованию релятивистских формул. Как мы увидим более подробно в четвертой главе, все это приводит к систематическому искажению вычисляемых в результате экспериментов масс покоя частиц на одни и те же типичные величины! Или другими словами, создается видимость регистрации новых «частиц» с характерными значениями масс покоя!
В результате на основании базовой частицы вырастает длинный ряд очень похожих «частиц» с монотонно возрастающими массами покоя. Обычно шаг массы при переходе к каждой следующей «частице» составляет один-два порядка и характеризует переход к более сильному классу полей или новому типу реакций, в которых данная «частица» наблюдается. А время жизни таких «частиц» с ростом массы, как правило, падает, что является результатом все более сложной регистрации частицы в этих условиях и меньшего времени ее нахождения в столь сильном поле.
Покидая область сильного поля, такая «частица» снова приобретает прежнюю массу, что выглядит как «распад» тяжелой «частицы». Причем базовая частица, как правило, присутствует в процессе такого «распада». Хотя бывает, что «распад» очень тяжелой «частицы» происходит через одно из промежуточных состояний, которое в свою очередь «распадается» до базовой частицы. Эти процессы также могут сопровождаться сильными колебаниями полевой среды, а также испусканием частиц-«призраков» – нейтрино, или, напротив, образованием на их основе новых частиц, а также иными особенностями.
Ярким примером такого поведения является электрон – базовая частица с единичным электрическим зарядом. В обычных условиях электрон обладает известной массой покоя, обусловленной глобальным взаимодействием. Однако в сильном электромагнитном поле, возникающем в тех или иных реакциях или в особых физических условиях, его масса покоя становится значительно выше, в результате чего регистрируется «тяжелый» электрон того или иного типа. И таких «тяжелых» электронов в современной физике элементарных частиц известно уже немало. К ним можно отнести все отрицательно заряженные мезоны и, прежде всего, мюон.
Существует даже представление об электрон-мюонной инвариантности, согласно которой мюон является точной копией электрона и во всех реакциях ведет себя идентично. Их различие состоит только в массах покоя. Поэтому понимание динамической природы массы позволяет дать наиболее простое и очевидное объяснение электронмюонной инвариантности. Просто электрон и мюон – это одна и та же частица! Разница состоит лишь в том, что эта частица зарегистрирована в разных физических условиях, с разными значениями массы покоя. А мюона как отдельной самостоятельной частицы вообще не существует!
Следует признать, что физика элементарных частиц является совсем непростой наукой. Существует еще очень много деталей и нюансов, которые следует понять и учесть, чтобы более-менее разобраться в этой теме. И со многими вопросами, которые неизбежно возникнут на следующем шаге, мы пока разобраться не готовы. Так или иначе, в этой книге мы уделим основное внимание изучению динамики обычных частиц, которые представляют собой стабильные связанные состояния с полевой средой и взаимодействуют посредством нее.
Изучение образования таких связанных состояний – элементарных частиц – и их преобразований, а также динамики полевой среды и частиц в этих условиях представляет собой сложную и объемную задачу, требующую написания еще одной книги. Еще одного путешествия на континент полевой физики. Потому что забраться на отвесные скалы и покорить неприступный горный массив элементарных частиц мы пока не готовы.
Раскрытие всех загадок физики элементарных частиц потребует усилий еще не от одного поколения исследователей. И это достойная задача. А сейчас мы можем отметить то важное обстоятельство, что полевая физика закладывает основы построения адекватных представлений в этой области науки. Она дает ключ, с помощью которого многие загадки и парадоксы физики элементарных частиц могут быть решены. Вот этот ключ:
Ключ к построению физики элементарных частиц
- Все элементарные частицы представляют собой связанное состояние базовой («голой») частицы и полевой среды (разных полевых оболочек).
- Массы и заряды элементарных частиц являются динамическими и обусловлены полевой средой.
- Масса покоя элементарной частицы не является неизменной фундаментальной константой, а может принимать любое значение в зависимости от интенсивности внешнего поля, в котором находится частица (в точке покоя частицы).
- «Рождение», «аннигиляция» и превращения элементарных частиц представляют собой перераспределение полевой среды между частицами (обмен полевыми оболочками).
- Колебания полевой среды (свет, гамма-кванты и т. п.) являются сущностями иной природы, не имеющими отношения к элементарным частицам.
- Не следует изобретать виртуальные «частицы» или иные искусственные объекты.
Физика элементарных частиц развивалась в большей степени экспериментальным путем. Систематизация большого объема накопленного материала оказалась еще более сложной задачей. Эту задачу необходимо будет решать учитывая важную роль данной области знаний, в том числе, и для понимания устройства нашего Мира в целом. Поэтому на страницах этой книги мы еще не раз попытаемся пролить свет на природу и устройство элементарных частиц, чтобы приблизиться к покорению этих крутых вершин насколько это будет возможно.
И на этой оптимистичной ноте нам, пожалуй, следует закончить обзор континента полевой физики, который мы проделали в подзорную трубу с борта нашей каравеллы. Потому что начав с горизонта – модели полевой среды и влияния гравитационных полей Галактики на нашу маленькую планету – мы добрались до таких мелких деталей, как квантовое поведение и элементарные частицы. Это является явным свидетельством нашей непосредственной близости к новым научным землям, к которым мы уже успели причалить.
А теперь нам пора на берег!