Бозоны, как уже говорилось, могут жить на головах друг у друга, в то время как фермионам требуется много места. Давайте подумаем об этом с точки зрения полей, колебаниями которых являются эти частицы. Разница между ними сводится к простому различию: бозонные поля могут принимать вообще любое значение, в то время как каждая возможная частота колебаний поля фермионов может быть раз и навсегда либо «включена», либо «выключена». Когда бозонное поле, например электромагнитное, очень велико, это соответствует большому числу частиц; когда это значение невелико, но отлично от нуля, там всего несколько частиц. Таких возможностей нет у фермионных полей. Частица там либо существует (в некотором определенном состоянии), либо нет. Это важнейшее свойство, известное как принцип Паули: не может быть двух частиц-фермионов в одном и том же состоянии. Чтобы дать определение «состояния» частицы, мы должны указать, где она находится, какую энергию имеет, и, возможно, определить некоторые другие характеристики, например сказать, как она вращается. Принцип Паули говорит, что два одинаковых фермиона не могут заниматься совершенно одним и тем же в одном и том же месте.
Передача колебаний
Идея о том, что частицы вещества являются дискретными колебаниями фермионных полей, помогает объяснить особенности реального мира, которые иначе могли бы остаться непонятными. Например, то, как частицы могут рождаться и исчезать. В первые годы квантовой механики ученые изо всех сил пытались разобраться с феноменом радиоактивности. Они еще могли понять, как фотоны получаются из других частиц, ведь фотоны – просто колебания электромагнитного поля. Но как насчет радиоактивных процессов, таких как распад нейтрона? Внутри ядра, в тесном соседстве с несколькими протонами нейтрон может жить вечно. Когда же он изолирован и предоставлен сам себе, он распадается в течение нескольких минут, превращаясь в протон и испуская электрон и антинейтрино. Вопрос в том, откуда берется электрон и антинейтрино. Ученые сначала предположили, что на самом деле они все это время прятались внутри нейтрона, но это оказалось не совсем верным.
Красивый ответ был дан в 1934 году Энрико Ферми, который впервые по-настоящему применил теорию поля к фермионам. (Кстати, эти частицы были названы в честь Ферми.) Итак, Ферми предположил, что можно считать каждую из этих частиц колебанием соответствующего квантового поля и каждое поле чуточку влияет на другие, так же как игра на пианино в одной комнате заставляет струны пианино, стоящего в соседней комнате, тихонько колебаться в ответ. Нельзя сказать, что новые частицы волшебным образом создаются из ничего – просто колебания нейтронного поля постепенно превращаются в колебания протонного, электронного и антинейтринного полей. А поскольку это квантовая механика, мы не можем на самом деле представить себе это превращение как постепенное – мы должны наблюдать нейтрон либо как обычный нейтрон, либо как уже распавшийся, причем вероятности этих исходов математически рассчитываются.
Квантовая теория поля также помогает понять, как одна частица способна превратиться в другие, с которыми она даже непосредственно не взаимодействует. Классический пример, который скоро станет для нас очень важным, – бозон Хиггса, распадающийся на два фотона. Этот процесс кажется невозможным, потому что мы знаем, что фотоны не взаимодействуют непосредственно с полем Хиггса. Фотоны взаимодействуют с заряженными частицами, а поле Хиггса взаимодействует с массивными частицами. А мы знаем, что бозон Хиггса не заряжен, а фотоны не обладают массой.
Разгадка лежит в концепции виртуальных частиц, которые в действительности следует рассматривать как виртуальные поля. Бозон Хиггса появляется на свет как волна колебаний поля Хиггса. Это колебание способно возбудить колебания массивных частиц, с которыми поле Хиггса взаимодействует. Но эти колебания могут не дотянуть до уровня, достаточного для появления новых частиц, а вместо этого создадут колебания в еще одном поле, в данном случае – в электромагнитном. Вот так бозон Хиггса и превратится в фотоны: сначала он превращается в виртуальные заряженные массивные частицы, а те затем быстро превращаются в фотоны. Это как если бы у вас было два совершенно расстроенных друг относительно друга пианино, которые обычно не могут подстроиться друг под друга, но есть третий инструмент в комнате, например скрипка, которая достаточно легко настраивается в резонанс с ними обоими.
Законы сохранения
Из-за того что все частицы возникают из полей, даже частицы вещества могут появляться и исчезать. Но это не значит, что в природе воцарилась анархия. Оцените электрический заряд до и после нейтронных распадов. До распада это ноль, поскольку нейтрон – частица, не имеющая заряда. После распада он также равен нулю – протон имеет положительный заряд, а электрон имеет точно такой же отрицательный заряд, антинейтрино же не имеет заряда вообще. Оказывается, что и число кварков одно и то же до и после распада, так как один нейтрон производит один протон. Наконец, и число лептонов равно одному до и после распада, если считать лептон антиматерии как один лептон со знаком минус (и антикварк – одним кварком со знаком минус, если появляются какие-нибудь антикварки). Нейтрон состоит из трех кварков и не содержит лептонов, а при распаде в продуктах его распада также содержится три кварка (в протоне) и нет лептонов (один в электроне и минус один в антинейтрино). Вот поэтому при распаде нейтрона и образуется антинейтрино, а не нейтрино.
Эти ненарушаемые правила являются законами сохранения, которые определяют, какие взаимодействия частиц разрешены природой, а какие – нет. Наряду с известным законом сохранения энергии есть также закон сохранения электрического заряда, числа кварков и числа лептонов. Некоторые законы сохранения более строгие, чем другие. Например, физики подозревают, что иногда число кварков и лептонов во взаимодействиях может не сохраняться (очень редко или в экстремальных условиях), но большинство уверено в том, что и энергия, и электрический заряд сохраняются абсолютно всегда.
Пользуясь этими правилами, мы можем понять, какие частицы распадутся, а какие из них живут вечно. Общее правило гласит: тяжелые частицы обычно распадаются на более легкие, если при этом не нарушаются никакие законы сохранения. Электрический заряд сохраняется, и электроны являются самыми легкими заряженными частицами, поэтому они совершенно стабильны. Число кварков сохраняется, и протон является самой легкой частицей с ненулевым числом кварков, так что он также стабилен (насколько мы знаем). Нейтроны не являются стабильными, но в содружестве с протонами могут образовывать стабильные ядра.
Бозон Хиггса – очень тяжелая частица с нулевым зарядом, которая не является ни кварком, ни лептоном, и она распадается, причем так быстро, что мы никогда не сможем наблюдать ее непосредственно в детекторе частиц. Это одна из причин того, почему ее было так трудно найти и почему успех ученых так нас всех обрадовал.
Глава 8
Разбитое зеркало
Мы тщательно исследуем бозон Хиггса и поле, из которого он образуется, а также выясняем, как он нарушает симметрию и определяет вид Вселенной.
