Почему E=mc²? И почему это должно нас волновать

Самые легкие кварки называются верхними и нижними. Из них построены протоны и нейтроны. В состав протонов входят главным образом два верхних и один нижний кварк, тогда как нейтроны состоят из двух нижних кварков и одного верхнего. Обычная материя образована из атомов, а в состав атомов входит ядро, сформированное из протонов и нейтронов, вокруг которых на достаточно большом расстоянии вращаются электроны. Таким образом, наряду с электронами верхние и нижние кварки – самые распространенные частицы в обычной материи. Кстати, их название не имеет специального значения. Американский физик Марри Гелл-Манн[48] позаимствовал слово «кварк» из романа ирландского писателя Джеймса Джойса Finnegan’s Wake («Поминки по Финнегану»). Для того чтобы объяснить известные на то время частицы, Гелл-Манну необходимо было три кварка, а небольшой отрывок из романа Джойса казался для этого весьма подходящим:

Three quarks for Muster Mark!
Sure he has not got much of a bark
And sure any he has it’s all beside the mark[49]

.

Гелл-Манн впоследствии писал, что сначала намеревался произносить это слово как «кворк» – именно так оно звучало в его голове до того, как он нашел цитату из «Поминок по Финнегану». Поскольку слово quark в этом стихотворении рифмуется со словами Mark и bark, это создавало определенные проблемы. В итоге Гелл-Манн решил заявить, что это слово может означать quart – «кварта», то есть единица объема жидкости, а не более привычное «крик чайки». Это позволило ему сохранить первоначальное произношение термина. По всей вероятности, мы так и не узнаем, как правильно произносить это слово. Открытие еще трех кварков, последним из которых в 1995 году стал так называемый истинный кварк, дало повод считать происхождение этого термина еще более неподходящим. Пожалуй, это должно послужить уроком будущим физикам, которые попытаются найти в литературе расплывчатые обозначения для своих открытий.

Несмотря на все злоключения с присвоением имени новой частице, Гелл-Манн оказался прав в своем предположении, что протоны и нейтроны состоят из более мелких объектов. Эта гипотеза получила подтверждение, когда кварки в конце концов были обнаружены с помощью ускорителя элементарных частиц в Стэнфорде в 1968 году, через четыре года после формулировки первоначального теоретического прогноза. Марри Гелл-Манн и авторы эксперимента, получившие доказательства существования кварков, были впоследствии удостоены Нобелевской премии за свою работу.

Помимо частиц материи, о которых мы только что говорили, а также таинственной частицы ϕ есть и несколько других частиц, о которых необходимо упомянуть, это W и Z, а также фотон и глюон. Для начала следует сказать пару слов о роли этих частиц. Они отвечают за взаимодействие между всеми остальными частицами. Если бы их не было, ничто во всей Вселенной не поддерживало бы ни с чем взаимодействия. Будем говорить, что их задача – переносить силу взаимодействия между частицами материи. Фотон – частица, которая отвечает за перенос этой силы между электрически заряженными частицами, такими как электроны и кварки. Фотон в прямом смысле слова лежит в основе всех физических законов, открытых Фарадеем и Максвеллом, а в качестве бонуса образует видимый свет, радиоволны, инфракрасное и микроволновое излучение, рентгеновские лучи и гамма-излучение. Представление о том, как поток фотонов, излучаемых электрической лампочкой, отскакивает от страницы этой книги и попадает в ваши глаза, которые являются не чем иным, как сложным детектором фотонов, совершенно правильное. Физик сказал бы, что фотон выступает в качестве инструмента электромагнитного взаимодействия. Глюон встречается в повседневной жизни не так часто, как вездесущий фотон, но его роль не менее важна. В центре каждого атома находится ядро. Атомное ядро – это шар, имеющий положительный электрический заряд (вспомните, что протоны – это электрически заряженные частицы, тогда как нейтроны – нет). Подобно тому что происходит, когда вы пытаетесь приблизить друг к другу одноименные полюсы магнита, все протоны отталкиваются друг от друга под влиянием электромагнитного взаимодействия. Они просто не желают соединяться друг с другом и предпочли бы разлететься в разные стороны. К счастью, это не случается, благодаря чему и существуют атомы. Глюон выступает в качестве связующего звена, которое «склеивает» протоны в атомном ядре друг с другом (клей на английском – glue, отсюда и название глюона). Кроме того, глюон отвечает за поддержание взаимодействия между кварками в составе протонов и нейтронов. Оно должно быть достаточно мощным, чтобы преодолеть электромагнитную силу отталкивания между протонами, поэтому его и называют сильным взаимодействием.