Что находится между магнитами
В XIX веке Майкл Фарадей исследовал электричество и магнетизм, представляя действие магнитов через силовые линии. Железные опилки помогали увидеть их рисунок. Линии обозначали направление магнитного поля. Пространство между телами вошло в само объяснение того, как тела взаимодействуют.
Джеймс Клерк Максвелл построил математическую теорию электромагнитного поля. В его уравнениях существовали волны, распространяющиеся со скоростью света. Работа, опубликованная в 1865 году, связала оптические и электромагнитные явления. Свет получил место в той же теории, которая описывала токи и магниты.
От волны к частице
На струне гитары можно увидеть колебание. Её точки движутся, а по струне распространяется возмущение. У закреплённой струны есть определённые формы колебаний с собственными частотами. Такой образ помогает представить, как одна система допускает разные возбуждения.
Дальше аналогия требует осторожности. Классическую струну можно раскачать сильнее или слабее, плавно меняя её энергию. Квантовая теория описывает возбуждения иначе. Для каждой моды свободного поля энергия добавляется определёнными порциями. В случае электромагнитного поля эти кванты соответствуют фотонам.
Электрон тоже описывается как квантовое возбуждение поля, электронного. Для расчёта его поведения нужны квантовые состояния и вероятности результатов измерений. Рисунок волны передаёт только часть идеи: он не показывает форму электрона, как фотография показывает форму гитарной струны.
Одинаковые электроны
У всех электронов одинаковы масса, электрический заряд и спин. Электроны могут находиться в разных состояниях, однако у них нет индивидуальных внутренних меток, по которым один электрон можно было бы отличить от другого. В квантовой теории поля эта тождественность заложена в описании: все электроны относятся к одному виду поля.
Такое устройство теории позволяет описывать процессы, в которых число частиц меняется. При столкновении могут возникнуть электрон и его античастица, позитрон, если процесс разрешён законами сохранения и для него хватает энергии. У позитрона та же масса, что у электрона, и противоположный электрический заряд.
Поль Дирак получил своё релятивистское уравнение электрона в 1928 году. В 1931 году он предсказал антиэлектрон. Карл Андерсон обнаружил позитрон в 1932 году в космическом излучении. Античастица стала наблюдаемым объектом, след которого можно было рассмотреть в камере.
Что связывает вещество
Электронов и кварков недостаточно, чтобы описать атом. Необходимо указать, как они взаимодействуют. Стандартная модель описывает электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. С ними связаны свои поля и частицы: фотон, глюоны, W- и Z-бозоны.
Кварки
- u
- верхний
- c
- очарованный
- t
- истинный
- d
- нижний
- s
- странный
- b
- прелестный
Лептоны
- e
- электрон
- μ
- мюон
- τ
- тау-лептон
- νₑ
- электронное нейтрино
- νμ
- мюонное нейтрино
- ντ
- тау-нейтрино
Бозоны
- γ
- ФотонЭлектромагнитное взаимодействие
- g
- ГлюоныСильное взаимодействие
- W±, Z
- W- и Z-бозоныСлабое взаимодействие
- H
- Бозон ХиггсаВозбуждение поля Хиггса
Электромагнитное взаимодействие действует на электрически заряженные частицы. Оно участвует в связи электронов с ядрами и в образовании молекул. Сильное взаимодействие связывает кварки внутри протонов и нейтронов. Между самими протонами и нейтронами действует остаточное ядерное взаимодействие, благодаря которому могут существовать связанные ядра.
Слабое взаимодействие участвует в превращениях частиц. Например, при бета-распаде нейтрона один из его нижних кварков превращается в верхний. Нейтрон становится протоном; рождаются электрон и электронное антинейтрино. Слабые процессы также необходимы для цепочки реакций, в которой Солнце превращает водород в гелий.
Различается и характер действия сил. Электромагнитное взаимодействие может проявляться на больших расстояниях. Слабое имеет очень малый радиус действия, связанный с большими массами W- и Z-бозонов. Объяснение этих масс привело к полю Хиггса.
Масса и поле Хиггса
В Стандартной модели даже вакууму соответствует ненулевое среднее значение поля Хиггса. Связь с этим полем входит в описание масс электронов, кварков, W- и Z-бозонов. Сила связи различна, поэтому различаются и массы.
Массу иногда объясняют движением через вязкую среду. Но вязкая среда тормозит тело и рассеивает его энергию. Постоянное поле Хиггса не создаёт такого трения. Масса характеризует связь энергии и импульса частицы, а также её инерцию. Частица с массой может равномерно двигаться, не расходуя энергию на преодоление фона.
Этот механизм входит в электрослабую теорию. В её нынешнем вакууме W- и Z-бозоны массивны, а фотон остаётся безмассовым. Поэтому электромагнитное и слабое взаимодействия имеют столь разные свойства при низких энергиях. Их объединение не означает, что установлено единство всех сил, включая сильное взаимодействие и гравитацию.
Почему протон тяжелее своих кварков
Может показаться, что теперь масса любого предмета объяснена полем Хиггса. Но почти вся масса атома приходится на ядро, а основная часть массы протона и нейтрона связана с энергией кварков, глюонов и их взаимодействий. Массы самих лёгких кварков дают гораздо меньший вклад.
Поэтому массу протона нельзя получить, просто сложив массы трёх валентных кварков. Нужно учитывать квантовую систему целиком. Соотношение энергии покоя и массы, E = mc², относится и к составному объекту.
Здесь привычное слово «состоит» легко вводит в заблуждение. Если перечислить кварки и забыть их взаимодействие, в расчёте не окажется большей части массы протона. Энергия взаимодействия входит в массу составной системы.
Как проверить существование поля
В 1983 году эксперименты CERN обнаружили W- и Z-бозоны. В 2012 году коллаборации ATLAS и CMS сообщили об открытии новой частицы, свойства которой согласовывались с бозоном Хиггса.
Бозон Хиггса быстро распадается. Его обнаруживают по продуктам распада. Исследователи измеряют их энергии и направления, сравнивают множество событий с предсказаниями теории и проверяют, можно ли объяснить результат уже известными процессами.
В учебной схеме поле часто рисуют как поверхность с волной. Для экспериментальной проверки нужны измерения, расчёт вероятностей и статистическое различение сигнала и фона. По ним можно установить, согласуются ли предсказания теории с наблюдениями.
Что остаётся за пределами
Гравитация не входит в Стандартную модель. Общая теория относительности описывает её через геометрию пространства-времени. Теория также предсказывает гравитационные волны: распространяющиеся возмущения геометрии пространства-времени. Первый такой сигнал LIGO зарегистрировала 14 сентября 2015 года; об открытии объявили в феврале 2016-го.
Это подтверждение ещё не даёт экспериментально проверенной квантовой теории гравитации. Не установлено и то, имеет ли пространство на самом малом масштабе дискретное устройство. Картинка сетки или зернистой поверхности здесь изображает гипотезу.
Остаётся вопрос о вакууме. В квантовой теории это состояние с наименьшей энергией, обладающее физическими свойствами. Астрономические наблюдения показывают, что расширение Вселенной ускоряется. Объясняется ли это энергией квантового вакуума или нужна другая физическая причина, пока не установлено.
