Лептоны группируются в пары: электрон с электронным нейтрино, мюон — с мюонным, тау-лептон — с тау-нейтрино. Это объединение обусловлено тем, что каждый сорт нейтрино участвует в реакциях вместе со своим партнером по паре. Первые три частицы имеют электрический заряд, равный заряду электрона. Все сорта нейтрино электронейтральны.
Остальные фундаментальные частицы носят название кварков; они участвуют в сильных взаимодействиях (а также и в слабых, и в электромагнитных). Из кварков слагаются частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, и называются адронами. Примерами адронов являются протон, нейтрон, пи-мезон. Всего кварков шесть, они обозначаются латинскими буквами и также группируются в три семейства, соответствующие семействам лептонов: (u, d), (с, s), (t, b).
Кварки имеют довольно экзотические свойства. Если выражать их электрический заряд в единицах заряда электрона, то оказывается, что заряды кварков дробные. Первые частицы в каждой паре имеют заряд +2/3. Остальные ― -1/3. Каждой частице соответствует античастица. Для электрически заряженных частиц заряд античастиц противоположен. Например, электрону е -с отрицательным зарядом соответствует античастица позитрон е +с положительным зарядом, кварку uс зарядом +2/3 соответствует антикварк ūс зарядом -2/3 и т. д. (Античастицу обычно обозначают черточкой над буквой.)
Все перечисленные выше фундаментальные частицы, из которых состоит физическая материя, обладают еще одним важным свойством. Им присуще собственное вращение — внутренний момент импульса, или, как его называют в квантовой механике, спин. Причем спин этих частиц, измеренный в единицах планковской постоянной ħ, равен 1/2.
Еще несколько слов о кварках. Как уже было сказано, кварки являются составляющими частями сильно-взаимодействующих частиц — адронов. Адроны, в свою очередь, подразделяются на барионы, у которых полуцелые спины и мезоныс целыми спинами. Каждый барион состоит из трех кварков, а мезон — из кварка и антикварка. При таких объединениях заряд составной частицы обязательно оказывается целым. Например, состав протона — uud, нейтрона — ddu, состав π +-мезона — ūd.
Замечательной особенностью кварков является то, что в сегодняшней Вселенной они существуют только в связанных состояниях — только в составе адронов. Одиночные, свободные кварки физиками не обнаружены, несмотря на многочисленные попытки это сделать. Почему кварк не может быть вырван из адрона или создан каким-либо иным способом?
Это один из основных вопросов физики элементарных частиц, и мы к нему еще вернемся.
Перечисленные нами элементарные частицы физической материи имеют полуцелые спины, и их называют фермионами.
Обратимся к проблеме взаимодействия между частицами. Все процессы, которые происходят во Вселенной, есть результат этих взаимодействий. Но как же происходят взаимодействия, в чем их суть?
Частицы взаимодействуют путем обмена другими частицами — переносчиками взаимодействия. Каждый из перечисленных выше четырех видов взаимодействия имеет своих переносчиков.
Начнем с хорошо известного нам электромагнитного взаимодействия. Переносчиком его является фотон. На рис. 9 изображена схема электромагнитного взаимодействия между протоном и электроном. Протон испускает фотон, который поглощается электроном.
Читателю, конечно, известно, что наглядные представления для мира элементарных частиц невозможны, так как там действуют совершенно непривычные для нас законы квантовой механики. Невозможны, конечно, и наглядные картинки. Тем не менее подобные схемы, как выразился в популярной статье американский физик М. Гелл-Манн, создают «иллюзию понимания» и до некоторой степени помогают, если не понять полностью, то по крайней мере создать образ того, что происходит. Надо сказать, что для специалистов подобные схемы служат и рабочим инструментом для расчетов взаимодействий. Они получили название диаграмм Фейнмана, по имени их изобретателя — известного американского физика.
![]()
![]()
В случае гравитационного взаимодействия переносчиками являются кванты поля тяготения — гравитоны. Мы пока не будем говорить об этом виде взаимодействия. И фотоны, и гравитоны не имеют массы (как говорят, массы покоя) и всегда движутся со скоростью света.
Слабые взаимодействия также имеют своих переносчиков. Это частицы, которые получили название векторных бозонов(мы не будем объяснять, почему их так называют). Их три (а не по одной частице, как было в случае электромагнитного и гравитационного взаимодействий): W ±, Z 0. Частицы W +и W -несут положительный и отрицательный заряды соответственно, a Z 0— частица электронейтральная. Пример слабого взаимодействия с участием W --частицы показан на рис. 10. Эта схема изображает распад нейтрона.
Существенным отличием переносчиков слабого взаимодействия от фотона и гравитона является то, что они очень массивны. Примерно в сто раз тяжелее протона. С массивностью переносчиков связан тот факт, что слабое взаимодействие возможно только на очень коротких расстояниях. Это расстояние в тысячу раз меньше размера атомного ядра. Напомним, что ядро, в свою очередь, в сто тысяч раз меньше размера атома.
Почему слабое взаимодействие действует на столь коротких расстояниях? Дело заключается в следующем. Чтобы испустить тяжелую частицу-переносчика, взаимодействующая частица должна затратить большую энергию. Но эту энергию неоткуда взять! Однако в мире элементарных частиц существует так называемое соотношение неопределенностей. Оно гласит, что при измерении продолжительностью не более чем Δt, нельзя измерить энергию с точностью лучше, чем частное от деления постоянной Планка ħ на Δt.
Это означает, что на короткий промежуток времени Δt у частицы или системы может появляться энергия как бы «ниоткуда», но эта «занятая» энергия должна быть такова, чтобы за время Δt ее нельзя было измерить и чтобы, таким образом, не вступить в противоречие с законом сохранения энергии.
Мы видим здесь, что в мире элементарных частиц время оказывается связано с энергией. Если энергия определена точно, то промежуток времени, соответствующий этому состоянию, велик и совершенно неопределен. И наоборот. Мы вновь встречаем явную связь времени и энергии, о которой говорилось в разделе «Энергия из черных дыр».
Напомним здесь еще об одном проявлении этой связи, которая давно была установлена физиками. Речь идет о законе сохранения энергии.
То, что энергия не может взяться «ниоткуда», было установлено после многочисленных, продолжающихся столетия, неудачных попыток построить вечный двигатель. Закон сохранения энергии был сформулирован в 1842 году немецким врачом Ю. Майером. Любопытно, что он пришел к этому выводу после плавания корабельным врачом на остров Яву. Наблюдения за венозной кровью матросов натолкнуло его на мысль, что механическая работа и теплота могут взаимопревращаться. В 1842 году он опубликовал работу «Замечания относительно сил неживой природы», в которой и сформулировал свой закон сохранения и превращения энергии. Через несколько лет этот закон был переоткрыт Дж. Джоулем и Г. Гельмгольцем. Работы Майера долго оставались непризнанными. Он пытался защитить свой приоритет. Это привело его к тяжелому нервному расстройству. В 1862 году Р. Клаузиус и Дж. Тиндаль обратили внимание на эти работы, и его приоритет был признан.
Закон сохранения энергии гласит, что энергия системы, которая изолирована и ни с чем не взаимодействует, не может измениться. Она сохраняется с течением времени.
Глубокая причина этого фундаментального свойства природы была вскрыта в 1918 году немецким математиком Эмми Нетер. Она показала, что энергия сохраняется потому, что время однородно. Все моменты времени равноправны согласно физике Ньютона. Вот по этой причине, как строго математически показала Э. Нетер, энергия во все моменты времени одинакова. Это был совсем новый подход к законам физики, основанный на свойствах, как говорят, симметрии времени. Оказалось также, что другие физические величины — импульс тела и момент импульса — сохраняются со временем также благодаря свойствам симметрии, на этот раз — симметрии пространства.
