Страница 37 из 51
Однако в одном отношении химическая аналогия, несомненно, полезна. Раз есть валентные кварки, значит, должны быть и какие-то невалентные!
Действительно, наряду с тремя кварками, определяющими все заряды протона, необходимо ввести в нашу картину еще множество кварков и антикварков, которое так и называют — кварковым морем. Кварковое море формирует свою оболочку, которую условно можно поместить между внешней, состоящей из виртуальных адронов, и центральной областью, где заключены валентные кварки. В этой же оболочке находятся глюоны — переносчики взаимодействия между кварками.
Разумеется, кварковое море и внешняя оболочка должны быть в целом полностью нейтральны — ведь все зарядовые свойства протона определяются именно валентными кварками.
Необходимость в промежуточной оболочке связана с простыми соображениями, следующими из теории относительности. Как вы помните, мы не можем утверждать просто, что «протон состоит из трех кварков» — это лишь удобная форма представления о его зарядах. Протон с определенной вероятностью может включать в себя не только три валентных кварка, но и сколь угодно большое количество кварк-антикварковых пар. Если бы рождались реальные кварки, то из протона можно было бы выбивать не обязательно три, но и пять, семь и более кварков, лишь бы при ударе выделялась достаточно большая энергия.
Теперь на основе трехслойной структуры — виртуальные адроны, кварковое море, валентные кварки — получается довольно логичная картина протона.
Валентные кварки играют роль тех самых партонов, которые видны электрону, пытающемуся проникнуть в самую сердцевину протона. Электроны, которые проникли не столь глубоко, могут рассеиваться на кварках-партонах из кваркового моря. Если же электрон только скользит по поверхности протона, он чувствует только внешнюю оболочку из виртуальных адронов и естественно, что протон предстает перед ним как рыхлое облако определенных размеров.
Нечто подобное происходит и при рассеянии протонов друг на друге. Если они пролетают на достаточно большом расстоянии (между центрами!) друг от друга, то взаимодействуют главным образом внешними оболочками и при этом формируются довольно сложные закономерности рассеяния «размазанных» объектов. Если же протоны испытывают лобовой удар и буквально вынуждены пройти друг сквозь друга, то непременно сталкиваются их валентные кварки, а сами они разлетаются на большие углы, следуя за своей кварковой сердцевиной.
Нарисованная схема устройства протона, конечно очень упрощена, но, как вы видите, она помогает связать единым образом различные структурные представления о нем.
Эта схема полезна и еще в одном отношении. Обратите внимание, что по мере движения из внутренних областей адрона во внешние мы встречаем все более усложняющиеся частицы.
Если в центре протона находятся три бесструктурных кварка, то следующая промежуточная оболочка включает в себя множество кварков, которые могут образовывать всевозможные комбинации: пары кварк — антикварк, тройки кварков и антикварков. Это, в сущности, кварковые атомы — сердцевины возможных адронов.
Между кварковым морем и внешней оболочкой виртуальных адронов, конечно, не существует резкой границы. Видимо, условное пограничье между морем и внешней оболочкой определяется тем, что большинство морских кварков (физики так и называют кварки из моря!) комбинируются в зародыши будущих частиц, своеобразные кварковые атомы. Виртуальные адроны из внешней оболочки уже обладают каждый своими зарядами, то есть кварковой сердцевиной. Скажем, всякий виртуальный мезон можно рассматривать как комбинацию кварка и антикварка, а каждый виртуальный барион — как комбинацию из трех кварков.
Более того, каждая виртуальная частица из внешней оболочки протона, видимо, успевает обзавестись и собственным кварковым морем (по крайней мере, собственным озером). Поэтому она ведет себя почти как реальная частица, но, чтобы стать по-настоящему реальной, она должна получить энергию извне. Именно это и происходит в результате соударения, например, двух протонов — в среднем половина энергии столкновения уходит на образование новых адронов. Эта энергия в основном и расходуется на формирование реальных частиц.
Итак, получается, что во внешней оболочке протона свободные кварки практически отсутствуют, хотя в центре нет ничего, кроме кварков. Видимо, законы взаимодействия кварков устроены таким образом, что сами кварки просто не могут поодиночке выходить наружу. Например, очень велика вероятность того, что кварк, попытавшийся вырваться из адрона самостоятельно, просто будет захвачен и увлечен в кварковое море одной из частиц внешней оболочки. Оказывается, что эта вероятность велика настолько, что отдельный кварк не способен пройти без захвата расстояние порядка размера протона, то есть не может выскочить наружу в виде реальной частицы.
Вот как хитро может быть устроена «адронная темница» для кварков! Кварк словно мощной резиновой лентой привязан к другим кваркам.
Действительно, валентные кварки практически движутся свободно в центре адрона. В кварковом море взаимодействие между ними тоже не очень сильно. Но оно резко усиливается, когда какой-либо кварк пытается отойти от других на большое расстояние. Силы, действующие между кварками, могут стать столь же большими, как и силы, действующие между адронами, если не больше! И такой кварк просто не сможет прорваться сквозь плотную среду виртуальных адронов внешней оболочки.
Теперь длительный неуспех в поисках реальных кварков может показаться не столь уж удручающим. Они могут быть полностью или почти полностью заперты в адронах и тем не менее рассматриваться… как реальные частицы.
Нет ли здесь противоречия? Как можно считать реальными частицы, которые не то что не оставляют следов, но и вообще не способны выделиться в чистом виде? Что за необычные силы могут действовать между кварками?..
И вправду, накопилось множество вопросов, которые связаны с новыми представлениями, сформировавшимися в физике буквально за последнее десятилетие. Пора обсудить, что же нового мы можем сказать сегодня о законах сил, действующих между частицами, и о том, какие частицы и в каком смысле следует считать реальными…
Итак, основная проблема связана с пониманием природы сил, действующих между частицами и внутри частиц.
Современная физика имеет дело с четырьмя различными типами взаимодействия, которые резко отличаются по интенсивности — сильными, электромагнитными, слабыми и гравитационными. Начнем с конца.
Гравитационные взаимодействия определяют структуру планетных систем, галактик и, видимо, вселенной в целом, но в микромире они практически не заметны. Во всяком случае, считается, что на данном этапе исследования процессов с элементарными частицами этими силами можно пренебречь.
Три остальных типа взаимодействия, несомненно, играют существенную роль в устройстве микромира, но до настоящего времени ни одно из них не получило последовательной и удовлетворительной теоретической трактовки. Причины такого положения дел очень интересны и отнюдь не лежат на поверхности.
В каждый период развития физики формировался определенный эталон в понимании механизма взаимодействия.
До недавнего времени таким эталоном в физике микромира, несомненно, была квантовая электродинамика — квантовая теория взаимодействия элементарных электрических зарядов с электромагнитным полем. Эта теория приобрела несколько выделенное положение отчасти по наследству благодаря хорошему развитию классической электродинамики.
Сильные и слабые взаимодействия элементарных частиц были открыты и подверглись глубокому исследованию значительно позже, чем электромагнитные. Поэтому естественно, что именно электродинамика стала первым своеобразным эталоном для построения любой другой теории.
Взаимодействие согласно квантовой электродинамике осуществляется при испускании или поглощении квантов электромагнитного поля — фотонов — электронами или другими электрически заряженными частицами. Таким образом, в простейшем случае взаимодействие между двумя заряженными частицами происходит за счет обмена фотоном. В принципе возможен обмен и не одним, а двумя, тремя и большим количеством фотонов, но такие процессы будут менее вероятны. Вероятность испускания каждого фотона приближенно характеризуется безразмерной величиной, которая равна отношению квадрата элементарного электрического заряда (e) к произведению постоянной Планка (h) на скорость света (c):