Удивительные числа Вселенной - Антонио Падилья

Виртуальные частицы — просто удобный способ представлять, как разные поля могут влиять друг на друга. Часто можно услышать аналогию с двумя фигуристками, бросающими друг другу мяч. Когда они кидают мяч или ловят его, то неизбежно чуть отодвигаются назад, словно их оттолкнула другая фигуристка. Фигуристки подобны электронам, ощущающим электромагнитное отталкивание, а мяч — виртуальному фотону, переносящему это взаимодействие от одной фигуристки к другой. Для силы притяжения эта аналогия работает не так хорошо, но мы по-прежнему воображаем виртуальные частицы, проходящие между заряженными объектами.

Большинство частиц также обладает внутренней способностью «вращаться» (физики используют термин «спин»). Об этом стало известно, когда в начале 1920-х два немецких физика, Отто Штерн и Вальтер Герлах, начали экспериментировать с магнитами и атомами серебра. Спин — на самом деле форма углового момента, который мы обычно связываем с вращательным движением каких-либо объектов (мяча для настольного тенниса или вальсирующих людей). Это достаточно легко представить применительно к мячу для настольного тенниса и даже применительно к квантовому мячу для настольного тенниса, но несколько сложнее вообразить, что это в реальности означает для элементарных частиц. Причина в том, что они бесконечно малы. Когда фигурист вращается на льду, он прижимает руки, чтобы крутиться быстрее. Это срабатывает, потому что угловой момент спортсмена сохраняется. Угловой момент зависит от двух параметров: скорости вращения и «разброса» вокруг оси вращения. Когда фигурист прижимает руки, его тело в целом становится немного ближе к оси вращения, и это приходится компенсировать более быстрым вращением. Если же мы имеем дело с бесконечно маленькой частицей, то для существования определенного углового момента требуется вращение с бесконечной скоростью. Это явно не может быть истиной, но что же происходит на самом деле? В случае с точечными частицами мы говорим об их собственном спине — способности выглядеть и действовать так, как будто они вращаются, хотя на самом деле они вовсе не вертятся в бесконечном безумии. Думайте о них как о политиках. Работа политиков состоит в том, чтобы выглядеть и действовать так, как будто они заботятся о ваших интересах. Делают ли они это на самом деле — совершенно другой вопрос.

С такой оговоркой представим частицу в виде мячика для настольного тенниса, уменьшенного до микроскопических размеров. Частицы с разным спином будут вести себя по-разному, когда вы станете их вращать. Предположим, вы нарисовали на мяче смайлик. Когда вы поворачиваете мяч, вид на смайлик неуклонно меняется, и только после целого оборота он выглядит точно так же, как в начале. Именно это происходит с фотоном и другими частицами с так называемым единичным спином. Чтобы вернуть их в исходное квантовое состояние, нужно совершить один полный оборот. Чтобы определить, что происходит с гравитоном, который имеет спин 2, нам нужно нарисовать точно такой же смайлик на противоположной стороне мяча. Когда мы вращаем такой мяч, исходная картина восстанавливается дважды за один оборот — через 180 и 360 градусов. Частица со спином 2 вернется в исходное квантовое состояние дважды за один оборот. Частица со спином 3 вернется три раза и т. д.

Все частицы, которые мы только что описали, имеют целочисленный спин, однако существуют и частицы с полуцелым спином. Что происходит, когда мы поворачиваем частицу с полуцелым спином? Здесь все немного хитрее. Давайте вместо мяча для настольного тенниса рассмотрим уменьшенного до квантовых размеров моллюска, который называется адский кальмар-вампир. Вы, наверное, ожидаете, что после одного полного оборота кальмар будет выглядеть точно так же, как и раньше. А вот и нет. Кальмар вывернулся наизнанку. Инвертировал сам себя. Оказывается, кальмары-вампиры действительно могут это делать[110], но, если перейти на язык квантовой механики, мы на самом деле имеем в виду следующее: волна вероятности перевернулась, гребни стали впадинами и наоборот. Именно это всегда происходит с частицами с полуцелым спином: после одного полного оборота они переходят из одного состояния в противоположное, словно вывернулись наизнанку! Только после второго оборота они оказываются в исходном состоянии.

Спин позволяет нам разделить частицы на два разных лагеря. С одной стороны — частицы с целочисленным спином, которые отвечают за фундаментальные взаимодействия; их называют бозонами. К ним относится переносчик электромагнитного взаимодействия фотон, спин которого равен 1. Существуют также W- и Z-бозоны и глюоны — переносчики слабого и сильного взаимодействий соответственно; их спин тоже равен 1. Есть еще гравитоны — пока не обнаруженные кванты со спином 2, которые, предположительно, несут ответственность за гравитационное взаимодействие. Легкие частицы — например, фотон — действуют на очень больших расстояниях. Но когда переносчиком становится тяжелая частица, она быстрее выдыхается и диапазон ее действия оказывается меньше. Именно это мы видим в случае W- и Z-бозонов, отвечающих за слабое ядерное взаимодействие.

С другой стороны — частицы с полуцелым спином, например электроны и кварки. Это фермионы. Они отвечают за наполнение Вселенной. Именно из них состоит материя. Фермионы составляют все вещества — звезды, планеты, леденцы… Тому есть очень веская причина. Фермионы не любят, когда их сваливают в кучу в одном состоянии. Природа фактически запрещает, чтобы в какой-то квантовой системе два фермиона находились в одном и том же квантовом состоянии. Это принцип исключения Паули, названный в честь блестящего немецкого физика Вольфганга Паули, с которым мы познакомимся получше в следующих двух главах.

Принцип работает так. Представьте, что два фермиона плавают внутри чашки чая. Что произойдет, если вы поменяете их местами? Фермионы — штучки неуклюжие. Если их поменять местами, они перевернут волну вероятности, описывающую чай: положительный гребень станет отрицательной впадиной и наоборот. Это драма кальмара-вампира, который снова и снова выворачивает себя наизнанку. Если два фермиона будут идентичными, то у вашего чая возникнут проблемы. Под идентичными я подразумеваю подлинных двойников вплоть до их квантовой ДНК — тот же спин, та же энергия, то же мнение о Брексите и т. д. Если их поменять местами, то ничего не изменится. Как это? В конце концов, они же двойники. А ведь мы только что сказали, что все переворачивается. Если переворачивание какой-то волны оставляет ее неизменной, это значит, что у нее изначально не было ни пиков, ни впадин! Куда ни глянуть, волна должна быть идеально плоской, скромно стоящей на нуле. Поскольку в действительности это волна вероятности, получается, вероятность нулевая. Иными словами, у чашки чая с одинаковыми фермионами нет шансов на существование. Что касается кальмара-вампира,