Эта схема атома правильна, хотя, как мы увидим ниже, квантовая механика приводит к более интересной картине орбит электронов, чем любая картинка,
которую вы можете нарисовать. Но мы теперь знаем, что протоны и нейтроны не являются фундаментальными частицами. В противоположность приведенному во введении высказыванию Гамова, у протона и нейтрона есть субструктура, более фундаментальные составные части, известные как кварки. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон содержит два d-кварка и один и-кварк (рис. 31) [30]. Эти кварки связаны друг с другом ядерными силами, известными как сильное взаимодействие. Электрон, другой компонент атома, ведет себя иначе. Насколько мы можем судить, он фундаментален — электрон невозможно разделить на более мелкие частицы, он не содержит внутри себя никакой субструктуры.
Нобелевский лауреат, физик Стивен Вайнберг придумал название «Стандартная модель» для обозначения хорошо установленной теории в физике частиц, которая описывает взаимодействия этих фундаментальных строительных блоков вещества — электронов, и- и d-кварков, а также других фундаментальных частиц, к которым мы сейчас перейдем. Стандартная модель описывает также три из четырех сил, за счет которых взаимодействуют элементарные частицы: электромагнетизм, слабое взаимодействие, сильное взаимодействие (гравитация обычно опускается).
Хотя гравитация и электромагнетизм были известны в течение столетий, вплоть до второй половины двадцатого века никто не понимал две последние, менее знакомые силы. Эти слабые и сильные взаимодействия влияют на фундаментальные частицы и очень важны для ядерных процессов. Они, например, позволяют кваркам связываться вместе, а нуклонам распадаться.
Если угодно, мы можем также включить гравитацию в Стандартную модель. Обычно это не делается, так как гравитация — слишком слабая сила, чтобы иметь какое либо значение на расстояниях, имеющих отношение к физике частиц при экспериментально доступных энергиях. При очень больших энергиях и на очень малых расстояниях наши обычные представления о гравитации терпят крах. Это важно для теории струн, но не играет роли на измеримых масштабах расстояний. При изучении элементарных частиц гравитация важна только для определенных расширений Стандартной модели, таких как модели с дополнительными измерениями, которые мы позднее рассмотрим. Для всех остальных предсказаний о поведении элементарных частиц про гравитацию можно забыть.
Теперь, когда мы вошли в мир фундаментальных частиц, нам стоит немного оглядеться и произвести переучет наших соседей. Кварки и и d, а также электрон образуют сердцевину вещества. Однако сегодня мы знаем, что существуют также дополнительные, более тяжелые кварки и другие электроноподобные частицы, которые никогда не обнаруживаются в обычном веществе. Например, в то время как электрон имеет массу порядка одной двухтысячной доли массы протона, частица, называемая мюоном, имеет такой же заряд, как у электрона, и массу, в двести раз больше, чем у электрона. Частица по имени тау, также имеющая тот же заряд, имеет массу еще в десять раз большую. За последние тридцать лет в экспериментах на коллайдерах высокой энергии были обнаружены еще более тяжелые частицы. Чтобы породить их, физикам потребовалось самое большое количество сконцентрированной энергии, какое только могут создать современные ускорители частиц.
Я сознаю, что этот раздел был объявлен как экскурсия внутрь вещества, но частицы, о которых я говорю, не содержатся внутри стабильных объектов материального мира. Хотя все известное вещество состоит из элементарных частиц, более тяжелые элементарные частицы не являются составными частями вещества. Вы не обнаружите их в шнурках своих туфель, на поверхности своего стола, на Марсе, или в любом другом известном нам физическом объекте. Однако эти частицы постоянно создаются в наши дни в экспериментах на коллайдерах высоких энергий, и они были частью ранней Вселенной сразу же после Большого взрыва.
Тем не менее эти тяжелые частицы являются существенными компонентами Стандартной модели. Они взаимодействуют за счет тех же сил, что и более знакомые частицы, и возможно, будут играть важную роль в более глубоком понимании наиболее фундаментальных законов природы, которым подчиняется вещество. На рис. 32 и 33 я перечислила частицы Стандартной модели. Я включила в список нейтрино и переносчиков сил — калибровочные бозоны, — о которых мы поговорим подробнее в гл. 7, где я детальнее рассмотрю все элементы Стандартной модели.
Никто не знает, почему существуют тяжелые частицы Стандартной модели. Вопросы о цели их существования, той роли, которую они играют в окончательной теории, о том, почему их массы столь отличны от масс составных частей более знакомого вещества, являются некоторыми из важнейших загадок, с которыми сталкивается Стандартная модель. И это лишь часть того, на что не может ответить Стандартная модель. Почему, например, имеются четыре силы, а не больше? Могут ли существовать другие силы, которые мы до сих пор не обнаружили? И почему гравитация настолько слабее других известных сил?
В Стандартной модели остается открытым и более теоретический вопрос, который надеется разрешить теория струн: каким образом мы должны самосогласованно объединить квантовую механику и гравитацию на всех масштабах расстояний? Этот вопрос отличается от других тем, что он касается не наблюдаемых в данное время явлений, а внутренних ограничений физики частиц.
Оба типа остающихся без ответа вопросов, которые касаются как наблюдаемых явлений, так и чисто теоретических проблем, дают нам основания выйти за рамки Стандартной модели. Несмотря на мощь и успехи Стандартной модели, мы уверены, что более фундаментальная структура ожидает своего открытия, а поиск более фундаментальных принципов будет вознагражден. Как изящно заметил на страницах «Нью-Йорк Таймс» композитор Стив Райх (проводя аналогию с той пьесой, которую он сочинял): «Сначала были просто атомы, затем появились протоны и нейтроны, после них — кварки, а теперь мы говорим о теории струн. Похоже, что каждые 20, 30, 40, 50 лет открывается люк, и перед нами предстает следующий уровень реальности».
В экспериментах на работающих и строящихся коллайдерах уже не ищут ингредиенты Стандартной модели, они уже все найдены. Стандартная модель изящно организует эти частицы по их взаимодействиям, так что сейчас известен полный набор частиц этой модели. Вместо этого экспериментаторы ищут частицы, которые могут оказаться еще интереснее. Современные теоретические модели включают составные части Стандартной модели, но добавляют новые элементы для решения ряда вопросов, оставшихся в Стандартной модели нерешенными. Мы надеемся, что текущие и будущие эксперименты дадут нам ключи, которые позволят разобраться с этими вопросами и открыть истинную, основополагающую природу вещества.
Хотя у нас есть кое-какие экспериментальные и теоретические догадки о природе более фундаментальной теории, мы вряд ли узнаем, каково правильное описание природы, пока ответ не дадут эксперименты при высоких энергиях (которые исследуют малые расстояния). Как мы увидим позже, теоретические соображения говорят, что эксперименты в следующем десятилетии почти наверняка откроют что-то новое. Возможно, это не будет явное свидетельство в пользу теории струн, которое очень трудно добыть, но, может быть, мы увидим что-то экзотичное, вроде новых взаимосвязей в пространстве-времени, или новых, но до сих пор невидимых дополнительных измерений — новые явления, характерные для теории струн, а также других теорий в физике частиц. И несмотря на широкий диапазон нашего коллективного воображения, эти эксперименты также могут обнаружить нечто, о чем никто из нас и не думал. Мои коллеги и я с любопытством ожидают, что бы это могло быть.
Анонс
Мы знаем, что та структура вещества, которую мы только что обсудили, есть результат важнейших физических открытий прошлого века. Эти грандиозные успехи существенны для любой более всеобъемлющей теории мира, которую мы хотели бы построить, и сами по себе ознаменовали крупные достижения.
Начиная со следующей главы, мы сделаем обзор этих открытий. Теории вырастают из наблюдений и недостатков предшествующих теорий, так что вы сможете лучше понять роль современных достижений, если познакомитесь с выдающимися успехами более ранних эпох. На рис. 34 показаны связи между теориями, которые мы будем обсуждать. Мы увидим, как новые теории вырастали на уроках старых теорий, и как новые теории заполнили пробелы, обнаруженные только после того, как были завершены старые теории.
