Коротка історія часу - Стівен Вільям Хокінг

(на 360 градусів). Частинка зі спіном 2 виглядає як двонаправлена стрілка (рис. 5.1-ІІІ), при цьому вона виглядає однаково, якщо повернути на півоберт (на 180 градусів). Аналогічно, частинки з вищими спінами виглядають так само через менші частини повного обороту. Все це видається досить простим, але існують частинки, що так само не виглядатимуть навіть через один оберт: їх треба повернути на два повні оберти! Кажуть, що такі частинки мають спін ½.

Рис. 5.1.

Всі відомі частинки у Всесвіті можна розділити на дві групи: частинки зі спіном ½, що утворюють матерію у Всесвіті, й частинки зі спіном 0, 1, і 2, що, як ми побачимо, спричиняють сили між частинками матерії. Частинки матерії підлягають так званому принципові заборони Паулі. Принцип відкрив 1925 року австрійський фізик Вольфґанґ Паулі, за що отримав Нобелівську премію в 1945 році. Він був справжнісінький фізик-теоретик: про нього говорили, що навіть його присутність у тому самому місті призводила до провалу експериментів! Принцип заборони Паулі стверджує, що дві однакові частинки не можуть існувати в однаковому стані; тобто, вони не можуть мати те ж саме положення і ту ж саму швидкість, у межах, заданих принципом невизначеності. Принцип Паулі ключовий, бо пояснює, чому частинки речовини не колапсують до стану дуже високої густини під впливом сил, створюваних частинками зі спіном 0, 1 і 2: якщо частинки матерії мають дуже близькі положення, то вони повин­ні мати різні швидкості, тобто вони не будуть залишатися в такому положенні надовго. Якби світ був створений без принципу заборони, кварки не сформували б окремі, чітко визначені протони і нейтрони. І вони, своєю чергою, не змогли б, разом з електронами, утворити окремі, чітко визначені атоми. Вони б усі сколапсували і утворили б більш-менш однорідну, густу «юшку».

Правильного уявлення про електрон та інші частинки зі спіном ½ не було до 1928 року, коли свою теорію запропонував Пол Дирак, який пізніше був обраний лукасівським професором математики в Кембриджі (те саме професорство, яке свого часу посідав Ньютон, а тепер я)[19]. Теорія Дирака була перша теорія такого роду, що узгоджувалася і з квантовою механікою, і спеціяльною теорією відносності. У ній математично пояснено, чому електрон має спін 1/2, тобто чому при одноразовому повному обороті він не набуває такого ж самого вигляду, а при дворазовому — набуває. Вона передбачила також, що електрон повинен мати партнера — антиелектрон, або ж позитрон. Відкриття позитрона в 1932 році підтвердило теорію Дирака, а в 1933-му він отримав Нобелівську премію з фізики. Тепер ми знаємо, що кожна частинка має античастинку, з якою вона може анігілювати. (У разі силоносних частинок[20], або частинок-носіїв взаємодії, античастинки точно такі ж, як самі частинки). Могли б існувати цілі антислова й антилюди, що складаються з античастинок. Але, якщо зустрінете антисебе, не ручкайтеся! Бо ви обидва зникнете у сліпучому спалаху світла. Надзвичайно важливе питання: чому видається, що навколо нас набагато більше частинок, ніж античастинок. Ми до нього ще повернемося в цьому розділі.

Як покладають у квантовій механіці, всі сили, або взаємодії, між частинками речовини переносять частинки з цілочисловим спіном, рівним 0, 1 або 2. Частинка речовини, наприклад електрон або кварк, випускає силоносну частинку. Відрух від цього випромінювання змінює швидкість частинки речовини. Потім силоносна частинка зіштовхується з іншою частинкою речовини і поглинається нею. Це зіткнення змінює швидкість другої частинки так само, як ніби між цими двома частинками речовини діє сила. Силоносні частинки мають одну важливу властивість: вони не підкоряються принципові заборони Паулі. Це означає, що нема ніяких обмежень на кількість обмінюваних частинок, тому вони можуть спричинити велику силу. Але якщо маса силоносних частинок велика, то їм буде важко виникати та обмінюватися на великих відстанях. Отже, сили, що вони переносять, будуть короткодійні. З іншого боку, якщо силоносні частинки не мають власної маси, то сили будуть далекодійні. Силоносні частинки, якими обмінюються частинки речовини, називають віртуальними, бо, на відміну від «реальних», їх не можна безпосередньо виявити за допомогою детектора частинок. Однак ми знаємо, що вони існують, бо створюють вимірну дію: вони — причина сил між частинками речовини. За деяких умов частинки зі спінами 0, 1, 2 також існують і як реальні, тоді їх можна виявити безпосередньо. Тоді вони постають перед нами тими, що класичні фізики назвали б хвилями, скажімо, світловими або гравітаційними. Вони можуть іноді випускатися при взаємодії між собою частинок речовини, що обмінюються віртуальними силоносними частинками. (Наприклад, електрична сила відштовхування між двома електронами виникає за рахунок обміну віртуальними фотонами, які ніколи не можна виявити безпосередньо, але якщо один електрон пролітає повз іншого, то можуть випускатися реальні фотони, які ми виявляємо як світлові хвилі.)

Силоносні частинки можна розділити на чотири категорії залежно від величини сили, яку вони переносять, і з якими частинками вони взаємодіють. Слід підкреслити, що такий поділ на чотири класи штучний: так зручно для розроблення часткових теорій, але за цим нема нічого глибшого. Врешті, більшість фізиків сподівається, що вдасться створити єдину теорію, яка пояснить усі чотири сили як різні сторони єдиної сили. Справді, багато хто скаже, що це головна мета сучасної фізики. Останнім часом зроблено результативні спроби об’єднати три з чотирьох категорій сил — і я опишу їх у цьому розділі. Питання про об’єднання з останньою категорією, гравітацією, ми залишимо на потім.

Отже, перша категорія — гравітаційна сила. Ця сила універсальна, тобто кожна частинка відчуває силу тяжіння, відповідно до своєї маси, або енергії. Гравітація набагато слабша проти трьох інших сил; така слабка, що ми б взагалі її не помічали, якби не дві її специфічні властивості: вона може діяти на великих відстанях і вона завжди притягальна.

Це означає, що дуже слабкі гравітаційні сили між окремими частинками в двох великих тілах, таких як Земля і Сонце, можуть в сумі дати значну силу. Три інші сили або короткодійні, або іноді відштовхують, іноді притягують, тому вони мають тенденцію компенсуватися. Згідно з квантовомеханічним підходом до гравітаційного поля, силу між двома частинками речовини переносить частинка зі спіном 2, яку називають гравітоном. Останній не має власної маси, тому сила, яку він переносить, далекодійна. Гравітаційну силу між Сонцем і Землею приписують обмінові гравітонами між частинками, з яких складаються ці два тіла. Хоча обмінювані частинки віртуальні, вони, безперечно, створюють вимірний ефект — визначають орбіту Землі навколо Сонця! Реальні гравітони утворюють те, що класичні фізики назвали б гравітаційними хвилями, але