- 27,579
- 46
- 8 Ноя 2022
Чем точнее физики считают, тем дальше ответ уходит от привычного числа…
Сколько элементарных частиц существует в природе? На первый взгляд ответ должен быть простым. Физики десятилетиями сталкивают протоны на Большом адронном коллайдере, видят следы частиц в детекторах и описывают их точными уравнениями. Но стоит начать считать всерьез, и понятный школьный список быстро превращается в спор о том, что именно считать частицей.
В учебниках и на плакатах со Стандартной моделью обычно указывают 17 частиц. Эта модель описывает все известные элементарные частицы и три взаимодействия: электромагнитное, слабое и сильное. За пределами остаются гравитация, темная материя и темная энергия. На фундаментальном уровне Стандартная модель говорит не о маленьких шариках, а о квантовых полях . Поля заполняют Вселенную, а частицы возникают как их возбуждения, примерно как рябь возникает на поверхности воды.
В простом списке есть 12 частиц вещества, или фермионов. Это электрон, мюон, тау-лептон, три нейтрино и шесть кварков. Еще четыре частицы переносят взаимодействия: фотон отвечает за электромагнитное взаимодействие, W- и Z-бозоны связаны со слабым взаимодействием, глюон переносит сильное. Отдельно стоит бозон Хиггса. Он не относится ни к частицам вещества, ни к переносчикам сил, а связан с механизмом, который дает частицам массу.
Число 17 удобно для первого знакомства со Стандартной моделью, но физики быстро начинают спорить о деталях. Первая проблема - антиматерия. У частиц вещества есть античастицы: у электрона есть позитрон, у кварков - антикварки. Античастицы похожи на обычные частицы, но имеют противоположный электрический заряд и другие зеркальные квантовые характеристики.
Если античастицы считать отдельно, 12 частиц вещества превращаются в 24. W-бозон тоже существует в двух заряженных вариантах: W+ и W-. Фотон, Z-бозон и глюон электрически нейтральны, поэтому здесь такого удвоения нет. После учета антиматерии список вырастает с 17 до 30.
Некоторые физики не добавляют античастицы в отдельный счет, потому что в уравнениях они тесно связаны с обычными частицами. Но в реальной Вселенной разница между материей и антиматерией огромна. Частица и античастица при встрече обычно аннигилируют, а наша Вселенная почти полностью состоит из материи. Почему после Большого взрыва вещества оказалось намного больше, чем антивещества, до сих пор неизвестно. Поэтому у отдельного учета античастиц есть серьезный смысл.
Дальше проблема возникает с глюонами. На плакате Стандартной модели часто рисуют один глюон, но сильное взаимодействие переносят восемь глюонов. Они отличаются сочетаниями цветовых зарядов и антицветов. Слово цвет здесь не имеет отношения к обычному зрению. Красный, зеленый и синий в квантовой хромодинамике - названия математических свойств кварков и глюонов.
В эксперименте разные глюоны напрямую различить очень трудно, поэтому физик-экспериментатор может оставить один общий глюон. В уравнениях Стандартной модели восемь глюонов различаются вполне определенно. Если считать последовательно, один глюон нужно заменить восьмью. Тогда получается уже 37 частиц.
Похожая история с кварками. Шесть типов кварков - верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный - существуют в трех цветовых вариантах: красном, зеленом и синем. У антикварков есть антицвета. Отдельные кварки в свободном виде не наблюдаются: устойчивые частицы должны быть цветонейтральными. Например, в протоне и нейтроне цветовые заряды кварков складываются так, чтобы итог был нейтральным.
С учетом цветов получается не шесть кварков и шесть антикварков, а 36 вариантов. Общий счет после этого поднимается до 61.
Но и 61 не финал. У частиц вещества есть хиральность - квантовый аналог леворукости и праворукости. Левую и правую руку нельзя совместить простым поворотом: они зеркальны, но не одинаковы. В квантовой физике речь не о форме частицы, а о математическом свойстве ее состояния. Это свойство важно, потому что разные варианты ведут себя по-разному.
Слабое взаимодействие работает только с левыми частицами вещества. В Стандартной модели нейтрино тоже появляются только в левом варианте. Значит, левая и правая формы не просто две записи одного и того же объекта, а состояния с разной физической ролью.
У переносчиков взаимодействий есть похожая характеристика - поляризация. Фотон и глюон могут быть лево- или правополяризованными. W+, W- и Z-бозоны имеют еще и продольную поляризацию. Дополнительное состояние связано с полем Хиггса и ранней Вселенной, когда частицы получили массу.
Если считать хиральность и поляризацию отдельно, список вырастает до 118. В нем появляются уже очень конкретные варианты: например, правый антикварк определенного типа с заданным антицветом, поляризованный глюон с определенным сочетанием цветовых зарядов или продольно поляризованный W-бозон.
На этом вопрос сколько частиц существует начинает меняться. Физики все чаще говорят не о частицах, а о степенях свободы . Степень свободы - это отдельный способ, которым поле или частица может иметь состояние или меняться. Цвет кварка, хиральность, поляризация - все это добавляет новые варианты поведения.
Число таких вариантов зависит от масштаба. На обычных расстояниях предмет можно описать несколькими величинами. Если заглянуть внутрь протона, появляются кварки, глюоны, цветовые заряды и другие параметры. Чем глубже физики смотрят в материю, тем сильнее дробится привычный список.
С энергией происходит то же самое. В первые мгновения после Большого взрыва могли существовать тяжелые частицы, которые сейчас не рождаются в обычных условиях. Многие расширения Стандартной модели, например, предполагают тяжелые правые нейтрино. Современная Вселенная слишком холодная для их появления, а ранняя Вселенная могла быть достаточно энергичной.
Если идти к более низким энергиям, часть частиц исчезает из доступного описания: они слишком тяжелые, чтобы возникать сейчас. На совсем малых энергиях практически остается фотон, потому что у него нет массы, и его энергия может быть сколь угодно малой. Поэтому ответ зависит еще и от того, на какой энергии физик ведет счет.
Самый необычный вариант связан с математическим подсчетом степеней свободы Стандартной модели. В 1989 году физик Джон Карди предположил, что при переходе от микроскопического описания к более грубому число эффективных степеней свободы должно только уменьшаться. Для простых квантовых теорий поля это уже доказали. Позднее правило удалось доказать и для теорий с тремя пространственными измерениями и временем, то есть для теорий того же типа, что Стандартная модель.
Этот результат известен как a-теорема. В упрощенном виде она говорит: если смотреть на систему все более крупным планом, независимых вариантов поведения становится меньше. Микроскопические детали сглаживаются, а новые степени свободы не появляются из ниоткуда.
Из доказательства следует странный вывод. В таких квантовых теориях поля число степеней свободы не может быть произвольным. У скалярного поля, например у поля Хиггса, одна степень свободы. У поля вещества - 5,5 степени свободы. У поля переносчика взаимодействия - 62. Дробное число выглядит непривычно, но здесь нет ошибки: некоторые варианты поведения не полностью независимы и связаны с состояниями других полей.
Если применить этот расчет к Стандартной модели в ранней Вселенной, получается 995,5 степени свободы. В счет входят четыре скалярных поля, 45 фермионных полей и 12 полей переносчиков взаимодействий. Антиматерию отдельно не добавляют, потому что она уже включена в описание фермионных полей.
В итоге появляется целая пирамида ответов. Да, для школьного учебника подходит число 17. Если добавить античастицы и заряженные W-бозоны, получится 30. Если считать все глюоны, выйдет 37. Если учесть цвета кварков и антикварков, будет 61. Хиральность и поляризация поднимают счет до 118. А строгий математический подсчет степеней свободы дает 995,5.
Можно считать то, что удобно показывать на схеме. Можно считать все состояния, которые различаются в уравнениях. Можно считать степени свободы квантовых полей. Каждый вариант отвечает на немного на разные вопросы. И это еще раз показывает, насколько мы мало контролируем и знаем об этом мире...
Сколько элементарных частиц существует в природе? На первый взгляд ответ должен быть простым. Физики десятилетиями сталкивают протоны на Большом адронном коллайдере, видят следы частиц в детекторах и описывают их точными уравнениями. Но стоит начать считать всерьез, и понятный школьный список быстро превращается в спор о том, что именно считать частицей.
В учебниках и на плакатах со Стандартной моделью обычно указывают 17 частиц. Эта модель описывает все известные элементарные частицы и три взаимодействия: электромагнитное, слабое и сильное. За пределами остаются гравитация, темная материя и темная энергия. На фундаментальном уровне Стандартная модель говорит не о маленьких шариках, а о квантовых полях . Поля заполняют Вселенную, а частицы возникают как их возбуждения, примерно как рябь возникает на поверхности воды.
В простом списке есть 12 частиц вещества, или фермионов. Это электрон, мюон, тау-лептон, три нейтрино и шесть кварков. Еще четыре частицы переносят взаимодействия: фотон отвечает за электромагнитное взаимодействие, W- и Z-бозоны связаны со слабым взаимодействием, глюон переносит сильное. Отдельно стоит бозон Хиггса. Он не относится ни к частицам вещества, ни к переносчикам сил, а связан с механизмом, который дает частицам массу.
Число 17 удобно для первого знакомства со Стандартной моделью, но физики быстро начинают спорить о деталях. Первая проблема - антиматерия. У частиц вещества есть античастицы: у электрона есть позитрон, у кварков - антикварки. Античастицы похожи на обычные частицы, но имеют противоположный электрический заряд и другие зеркальные квантовые характеристики.
Если античастицы считать отдельно, 12 частиц вещества превращаются в 24. W-бозон тоже существует в двух заряженных вариантах: W+ и W-. Фотон, Z-бозон и глюон электрически нейтральны, поэтому здесь такого удвоения нет. После учета антиматерии список вырастает с 17 до 30.
Некоторые физики не добавляют античастицы в отдельный счет, потому что в уравнениях они тесно связаны с обычными частицами. Но в реальной Вселенной разница между материей и антиматерией огромна. Частица и античастица при встрече обычно аннигилируют, а наша Вселенная почти полностью состоит из материи. Почему после Большого взрыва вещества оказалось намного больше, чем антивещества, до сих пор неизвестно. Поэтому у отдельного учета античастиц есть серьезный смысл.
Дальше проблема возникает с глюонами. На плакате Стандартной модели часто рисуют один глюон, но сильное взаимодействие переносят восемь глюонов. Они отличаются сочетаниями цветовых зарядов и антицветов. Слово цвет здесь не имеет отношения к обычному зрению. Красный, зеленый и синий в квантовой хромодинамике - названия математических свойств кварков и глюонов.
В эксперименте разные глюоны напрямую различить очень трудно, поэтому физик-экспериментатор может оставить один общий глюон. В уравнениях Стандартной модели восемь глюонов различаются вполне определенно. Если считать последовательно, один глюон нужно заменить восьмью. Тогда получается уже 37 частиц.
Похожая история с кварками. Шесть типов кварков - верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный - существуют в трех цветовых вариантах: красном, зеленом и синем. У антикварков есть антицвета. Отдельные кварки в свободном виде не наблюдаются: устойчивые частицы должны быть цветонейтральными. Например, в протоне и нейтроне цветовые заряды кварков складываются так, чтобы итог был нейтральным.
С учетом цветов получается не шесть кварков и шесть антикварков, а 36 вариантов. Общий счет после этого поднимается до 61.
Но и 61 не финал. У частиц вещества есть хиральность - квантовый аналог леворукости и праворукости. Левую и правую руку нельзя совместить простым поворотом: они зеркальны, но не одинаковы. В квантовой физике речь не о форме частицы, а о математическом свойстве ее состояния. Это свойство важно, потому что разные варианты ведут себя по-разному.
Слабое взаимодействие работает только с левыми частицами вещества. В Стандартной модели нейтрино тоже появляются только в левом варианте. Значит, левая и правая формы не просто две записи одного и того же объекта, а состояния с разной физической ролью.
У переносчиков взаимодействий есть похожая характеристика - поляризация. Фотон и глюон могут быть лево- или правополяризованными. W+, W- и Z-бозоны имеют еще и продольную поляризацию. Дополнительное состояние связано с полем Хиггса и ранней Вселенной, когда частицы получили массу.
Если считать хиральность и поляризацию отдельно, список вырастает до 118. В нем появляются уже очень конкретные варианты: например, правый антикварк определенного типа с заданным антицветом, поляризованный глюон с определенным сочетанием цветовых зарядов или продольно поляризованный W-бозон.
На этом вопрос сколько частиц существует начинает меняться. Физики все чаще говорят не о частицах, а о степенях свободы . Степень свободы - это отдельный способ, которым поле или частица может иметь состояние или меняться. Цвет кварка, хиральность, поляризация - все это добавляет новые варианты поведения.
Число таких вариантов зависит от масштаба. На обычных расстояниях предмет можно описать несколькими величинами. Если заглянуть внутрь протона, появляются кварки, глюоны, цветовые заряды и другие параметры. Чем глубже физики смотрят в материю, тем сильнее дробится привычный список.
С энергией происходит то же самое. В первые мгновения после Большого взрыва могли существовать тяжелые частицы, которые сейчас не рождаются в обычных условиях. Многие расширения Стандартной модели, например, предполагают тяжелые правые нейтрино. Современная Вселенная слишком холодная для их появления, а ранняя Вселенная могла быть достаточно энергичной.
Если идти к более низким энергиям, часть частиц исчезает из доступного описания: они слишком тяжелые, чтобы возникать сейчас. На совсем малых энергиях практически остается фотон, потому что у него нет массы, и его энергия может быть сколь угодно малой. Поэтому ответ зависит еще и от того, на какой энергии физик ведет счет.
Самый необычный вариант связан с математическим подсчетом степеней свободы Стандартной модели. В 1989 году физик Джон Карди предположил, что при переходе от микроскопического описания к более грубому число эффективных степеней свободы должно только уменьшаться. Для простых квантовых теорий поля это уже доказали. Позднее правило удалось доказать и для теорий с тремя пространственными измерениями и временем, то есть для теорий того же типа, что Стандартная модель.
Этот результат известен как a-теорема. В упрощенном виде она говорит: если смотреть на систему все более крупным планом, независимых вариантов поведения становится меньше. Микроскопические детали сглаживаются, а новые степени свободы не появляются из ниоткуда.
Из доказательства следует странный вывод. В таких квантовых теориях поля число степеней свободы не может быть произвольным. У скалярного поля, например у поля Хиггса, одна степень свободы. У поля вещества - 5,5 степени свободы. У поля переносчика взаимодействия - 62. Дробное число выглядит непривычно, но здесь нет ошибки: некоторые варианты поведения не полностью независимы и связаны с состояниями других полей.
Если применить этот расчет к Стандартной модели в ранней Вселенной, получается 995,5 степени свободы. В счет входят четыре скалярных поля, 45 фермионных полей и 12 полей переносчиков взаимодействий. Антиматерию отдельно не добавляют, потому что она уже включена в описание фермионных полей.
В итоге появляется целая пирамида ответов. Да, для школьного учебника подходит число 17. Если добавить античастицы и заряженные W-бозоны, получится 30. Если считать все глюоны, выйдет 37. Если учесть цвета кварков и антикварков, будет 61. Хиральность и поляризация поднимают счет до 118. А строгий математический подсчет степеней свободы дает 995,5.
Можно считать то, что удобно показывать на схеме. Можно считать все состояния, которые различаются в уравнениях. Можно считать степени свободы квантовых полей. Каждый вариант отвечает на немного на разные вопросы. И это еще раз показывает, насколько мы мало контролируем и знаем об этом мире...
- Источник новости
- www.securitylab.ru
