Правильного уявлення про електрон та інші частинки зі спіном ½ не було до 1928 року, коли свою теорію запропонував Пол Дирак, який пізніше був обраний лукасівським професором математики в Кембриджі (те саме професорство, яке свого часу посідав Ньютон, а тепер я)[19]. Теорія Дирака була перша теорія такого роду, що узгоджувалася і з квантовою механікою, і спеціяльною теорією відносності. У ній математично пояснено, чому електрон має спін 1/2, тобто чому при одноразовому повному обороті він не набуває такого ж самого вигляду, а при дворазовому — набуває. Вона передбачила також, що електрон повинен мати партнера — антиелектрон, або ж позитрон. Відкриття позитрона в 1932 році підтвердило теорію Дирака, а в 1933-му він отримав Нобелівську премію з фізики. Тепер ми знаємо, що кожна частинка має античастинку, з якою вона може анігілювати. (У разі силоносних частинок[20], або частинок-носіїв взаємодії, античастинки точно такі ж, як самі частинки). Могли б існувати цілі антислова й антилюди, що складаються з античастинок. Але, якщо зустрінете антисебе, не ручкайтеся! Бо ви обидва зникнете у сліпучому спалаху світла. Надзвичайно важливе питання: чому видається, що навколо нас набагато більше частинок, ніж античастинок. Ми до нього ще повернемося в цьому розділі.
Як покладають у квантовій механіці, всі сили, або взаємодії, між частинками речовини переносять частинки з цілочисловим спіном, рівним 0, 1 або 2. Частинка речовини, наприклад електрон або кварк, випускає силоносну частинку. Відрух від цього випромінювання змінює швидкість частинки речовини. Потім силоносна частинка зіштовхується з іншою частинкою речовини і поглинається нею. Це зіткнення змінює швидкість другої частинки так само, як ніби між цими двома частинками речовини діє сила. Силоносні частинки мають одну важливу властивість: вони не підкоряються принципові заборони Паулі. Це означає, що нема ніяких обмежень на кількість обмінюваних частинок, тому вони можуть спричинити велику силу. Але якщо маса силоносних частинок велика, то їм буде важко виникати та обмінюватися на великих відстанях. Отже, сили, що вони переносять, будуть короткодійні. З іншого боку, якщо силоносні частинки не мають власної маси, то сили будуть далекодійні. Силоносні частинки, якими обмінюються частинки речовини, називають віртуальними, бо, на відміну від «реальних», їх не можна безпосередньо виявити за допомогою детектора частинок. Однак ми знаємо, що вони існують, бо створюють вимірну дію: вони — причина сил між частинками речовини. За деяких умов частинки зі спінами 0, 1, 2 також існують і як реальні, тоді їх можна виявити безпосередньо. Тоді вони постають перед нами тими, що класичні фізики назвали б хвилями, скажімо, світловими або гравітаційними. Вони можуть іноді випускатися при взаємодії між собою частинок речовини, що обмінюються віртуальними силоносними частинками. (Наприклад, електрична сила відштовхування між двома електронами виникає за рахунок обміну віртуальними фотонами, які ніколи не можна виявити безпосередньо, але якщо один електрон пролітає повз іншого, то можуть випускатися реальні фотони, які ми виявляємо як світлові хвилі.)
Силоносні частинки можна розділити на чотири категорії залежно від величини сили, яку вони переносять, і з якими частинками вони взаємодіють. Слід підкреслити, що такий поділ на чотири класи штучний: так зручно для розроблення часткових теорій, але за цим нема нічого глибшого. Врешті, більшість фізиків сподівається, що вдасться створити єдину теорію, яка пояснить усі чотири сили як різні сторони єдиної сили. Справді, багато хто скаже, що це головна мета сучасної фізики. Останнім часом зроблено результативні спроби об’єднати три з чотирьох категорій сил — і я опишу їх у цьому розділі. Питання про об’єднання з останньою категорією, гравітацією, ми залишимо на потім.
Отже, перша категорія — гравітаційна сила. Ця сила універсальна, тобто кожна частинка відчуває силу тяжіння, відповідно до своєї маси, або енергії. Гравітація набагато слабша проти трьох інших сил; така слабка, що ми б взагалі її не помічали, якби не дві її специфічні властивості: вона може діяти на великих відстанях і вона завжди притягальна.
Це означає, що дуже слабкі гравітаційні сили між окремими частинками в двох великих тілах, таких як Земля і Сонце, можуть в сумі дати значну силу. Три інші сили або короткодійні, або іноді відштовхують, іноді притягують, тому вони мають тенденцію компенсуватися. Згідно з квантовомеханічним підходом до гравітаційного поля, силу між двома частинками речовини переносить частинка зі спіном 2, яку називають гравітоном. Останній не має власної маси, тому сила, яку він переносить, далекодійна. Гравітаційну силу між Сонцем і Землею приписують обмінові гравітонами між частинками, з яких складаються ці два тіла. Хоча обмінювані частинки віртуальні, вони, безперечно, створюють вимірний ефект — визначають орбіту Землі навколо Сонця! Реальні гравітони утворюють те, що класичні фізики назвали б гравітаційними хвилями, але вони дуже слабкі, і їх так важко спостерегти, що досі ще не виявили.
Друга категорія — електромагнетна сила, що діє між електрично зарядженими частинками, такими як електрони і кварки, але не між незарядженими частинками, такими як гравітон. Вона набагато сильніша за гравітаційну: електромагнетна сила, що діє між двома електронами, приблизно в мільйон мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів (одиниця з сорока двома нулями) разів більша від гравітаційної. Але існують два види електричного заряду — позитивний і негативний. Відштовхувальна сила діє між двома позитивними зарядами, як і між двома негативними, а притягальна сила діє між позитивним і негативним. Великі тіла, наприклад Земля чи Сонце, містять майже рівні кількості позитивних і негативних зарядів. Отже, притягальні та відштовхувальні сили між окремими частинками майже компенсують одна одну, і залишається дуже мала сумарна електромагнетна сила. Однак на малих масштабах атомів і молекул електромагнетні сили домінують. Електромагнетне притягання між негативно зарядженими електронами та позитивно зарядженими протонами в ядрі, змушує електрони обертатися навколо ядра атома, точно так само, як гравітаційне притягання змушує Землю обертатися навколо Сонця. Електромагнетне притягання описують як спричинене обміном великим числом віртуальних безмасових частинок зі спіном 1, яких називають фотонами. Знову ж, фотони, якими обмінюються, — це віртуальні частинки. Однак коли електрон переходить з однієї дозволеної орбіти на іншу, ближчу до ядра, вивільняється енергія і випускається реальний фотон, що можна при відповідній довжині хвилі спостерігати як видне світло людським оком, або ж за допомогою якого-небудь детектора фотонів, наприклад фотоплівки. Однаковою мірою, якщо реальний фотон зіштовхується з атомом, електрон може перейти з орбіти, ближчої до ядра, на дальшу від нього. При цьому використовується енергія фотона, тому вона поглинається.
Третя категорія — так звана слабка ядерна сила, яка відповідає за радіоактивність і діє на всі частинки речовини зі спіном 1/2, але не на частинки зі спіном 0, 1, 2, такі як фотони і гравітони. Слабка ядерна сила була не дуже добре зрозуміла до 1967 року, коли Абдус Салам з Імперського коледжу Лондона, і Стівен Вайнберґ з Гарвардського університету одночасно запропонували теорію, що об’єднала цю взаємодію з електромагнетною силою, точно як Максвел об’єднав електрику і магнетизм приблизно за сто років до того. Вони припустили, що, на додаток до фотона, існують ще три інші частинки зі спіном 1, відомі разом як масивні векторні бозони, що переносять слабку силу. Вони були названі W+ (дабл’ю-плюс), W– (дабл’ю-мінус) і Z0 (зед-нуль), і кожна мала масу близько 100 ГеВ (ГеВ означає гігаелектронвольт, або мільярд електронвольт). Теорія Вайнберґа — Салама виявляє властивість, відому як спонтанне порушення симетрії: коли ті, що видаються низкою зовсім різних частинок при низьких енергіях, насправді всі виявляються тим же типом частинки, тільки в різних станах. При високих енергіях усі ці частинки поводяться аналогічно. Ефект швидше схожий на поведінку кульки на колесі рулетки. При всіх високих енергіях (тобто при швидкому обертанні колеса) кулька поводиться, по суті, однаково — обертається і обертається по колу. Але коли колесо сповільнюється, енергія кульки зменшується, і врешті-решт вона падає в одну з тридцяти семи канавок на колесі. Іншими словами, при низьких енергіях може існувати тридцять сім станів, в яких може бути кулька. Якби ми чомусь могли спостерігати за кулькою тільки при низьких енергіях, то вважали б, що існує тридцять сім різних типів кульок!
20
Англійський термін