Кварки и Ко
Массы атомов точно определены экспериментально. Так же и его компоненты - электроны, протоны и нейтроны. Должна также существовать возможность теоретически выяснить, сколько весят последние. Единственная проблема: компьютерам уже давно не до уравнений. Теперь некоторые исследователи, наконец, получают первые значимые результаты.
Лист бумаги весит около пяти граммов, средний взрослый человек может весить 70 килограммов, а слон весит до шести тонн. Но - что такое "взвешивание" на самом деле? Гравитация, конечно, играет роль. Но почему вещи вообще имеют массу? Над этим веками ломали голову не только физики. За последние несколько десятилетий они, по крайней мере, приблизились к внутренней части материи.
И чем глубже они заглядывали в космос частиц, тем крупнее становились необходимые для этого машины. Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРН недалеко от Женевы в настоящее время находится на переднем крае. Колосс обещает, среди прочего, исследовать загадку толпы. Здесь хочется найти «частицу Бога». Связанное поле предназначено для того, чтобы сообщать элементарным частицам их массу в зависимости от того, насколько сильно они взаимодействуют с ним. Это объясняет вес одиноких электронов и кварков, но не вес их слияний.
Клей, скрепляющий мир
Таким образом, три кварка, составляющие протон или нейтрон, имеют всего пять процентов массы этих частиц. Физики предполагают, что только сложное взаимодействие компонентов друг с другом вызывает наблюдаемую в эксперименте тяжесть - в этом виновато сильное взаимодействие.
Это также гарантирует, среди прочего, что положительно заряженные протоны в атомном ядре не отталкиваются друг от друга. Для этого, конечно, она должна быть намного сильнее электромагнитной силы. И это - стократно. Однако он работает только на очень коротких расстояниях, меньших диаметра сердечника. Кварки также удерживаются вместе за счет сильного взаимодействия. При этом они постоянно обмениваются электрически нейтральными и безмассовыми частицами, так называемыми глюонами (от английского слова «клей»: клей).
В то время как электрический заряд частиц является определяющим для электромагнитной силы, сильное взаимодействие реагирует только на цветовые заряды. Итак, все кварки имеют один из трех возможных цветов: красный, зеленый или синий. Как будто это недостаточно сложно, обменные частицы, т. е. глюоны, также сами несут цвет и, таким образом, ощущают сильную силу, которую они на самом деле передают своим телам.
Эйнштейн делает это возможным
Кварки ничуть не уступают им в странностях: маленькие частицы никогда не должны быть поодиночке, а всегда должны собираться группами по два-три члена. Таким образом, это удержание кварков позволяет протонам, нейтронам и другим комбинациям образовываться почти непроизвольно. Однако дуэт или трио могут соединиться в нечто большее только в том случае, если все они бесцветны - либо через сообщество всех трех цветов, либо через цвет и антицвет антикварка.
Физики разработали собственную теорию сложного взаимодействия кварков и глюонов - так называемую квантовую хромодинамику. С помощью этой модели самые разнообразные реакции в ускорителях частиц могут прекрасно объясняться уже более 30 лет. Но их полный потенциал далеко не исчерпан: с помощью теории теоретически можно вывести энергию сколоченных частиц. Однако, согласно знаменитой формуле Эйнштейна, это эквивалентно их массе, поэтому можно предсказать вес протона или нейтрона.
На практике, однако, уравнения теории настолько сложны, что даже их численное решение невероятно сложно и компьютеры долгое время были перегружены. По этой причине ученые искали подходы к минимизации вычислительных усилий. Перспективным считается преобразование пространства и времени в четырехмерную кристаллическую решетку, на которой кварки и глюоны располагаются по столбцам и рядам. Затем они решают уравнения квантовой хромодинамики для все более мелких сеток.
Экстраполировать на повседневный мир
Чем ближе вы подходите к реальности, в которой пространство и время текут непрерывно, тем больше вычислительных усилий. Поэтому исследователи в прошлом были вынуждены опустить некоторые ингредиенты для контролируемого и полного расчета. Штефан Дюрр из Института вычислительной техники Джона фон Неймана и его коллеги осмелились на новую попытку, в ходе которой они фактически снабдили свою программу всеми необходимыми данными.
Затем они экстраполировали результаты для трех разных размеров сетки на решение для нашего повседневного мира. Ученые сообщают, что рассчитанные таким образом массы протонов, нейтронов и других легких родственников очень хорошо согласуются с экспериментально измеренными значениями. В большинстве случаев ошибки составляют менее четырех процентов. Например, для нейтронного
Происхождение массы протона и нейтрона, а значит и более 99 процентов видимой Вселенной, на самом деле лежит в дикой путанице кварков и глюонов, которая описывает квантовую хромодинамику. К сожалению, это знание ничего не меняет, когда вы встаете на весы - разве что теперь вы можете назвать настоящего виновника.