Представьте арену, где дуэлянты встречаются не лицом к лицу, а как точки чистой природы — без брони, без масок и без внутреннего состава, с одинаковыми, зеркальными паспортами квантовых чисел; именно такую арену создают физики, когда задаются вопросом, что произойдёт, если столкнуть два одинаковых электрона, и ответ на этот вопрос оказывается одновременно проще и глубже, чем кажется на первый взгляд, потому что многое зависит от того, с какой силой, в каких условиях и в каком окружении эти крошечные носители заряда встречаются.
На бытовом уровне можно сказать, что два одноимённых заряда отталкиваются, и если дать двум электронам скользнуть друг мимо друга в обычных условиях, они действительно просто разойдутся, обменявшись лишь немногими фотонами, подобно тому как мячики отталкиваются при столкновении; однако физика частиц редко довольствуется бытовыми аналогиями, потому что при увеличении энергии и создании специальных условий «бесполезное» взаимодействие превращается в источник тончайших эффектов, а иногда и в фабрику новых частиц, и именно это превратило ускорители в мощнейшие инструменты познания.
Если говорить строго и одновременно образно, то столкновение двух электронов — это не «ничего», а танец через посредника: они могут обменяться виртуальным фотоном, изменить направление траекторий и излучить реальный фотон, что в языке физики называется упругим рассеянием с излучением тормозного (брекстрраhlung) света; в ускорителях такое явление фиксируется и служит важным тестом квантовой электродинамики, чьё соответствие с экспериментом — один из самых строгих триумфов современной физики. При очень больших энергиях, помещая электронов в сильное электромагнитное поле или заставляя их встречаться вблизи тяжёлых тяжёлых ионизированных ядер, можно стимулировать образование пар частица-античастица, и тогда из энергии движения рождаются новые электроны и позитроны, а при ещё больших энергиях и правильных условиях возможны процессы, в которых участвуют виртуальные W- и Z-бозоны, фотонные вершины и даже короткоживущие частицы, чувствительные к тончайшим нарушениям симметрий.
Почему же, спрашивают многие, тогда не «рождается» всё подряд из простого столкновения электронов, и почему в коллайдерах чаще сталкивают протон с протоном или электрон с позитроном; ответ кроется в двух вещах — в составе и в симметриях: протон — это не точка, а богатый мир кварков и глюонов, и при столкновении протонов именно их составляющие дают возможность рождать массу энергии в новые частицы, а при аннигиляции электрона с позитроном полная аннигиляция массы частиц превращает кинетическую энергию в чистую энергию с образованием фотонов и более тяжёлых полевых возбуждений, что позволяет напрямую получать W- и Z-бозоны или купол Хиггса в контролируемых условиях, тогда как два электрона, имея одинаковые квантовые числа, по симметрии не так легко превращаются в произвольную смесь частиц без привлечения дополнительного поля или античастицы.
Тем не менее у варианта «два электрона» есть свои сильные стороны: он идеален для точных измерений рассеяния и тестов фундаментальных теорий, потому что отсутствие внутренней структуры исключает фоновое «шумное» поведение, свойственное составным частицам, и делает эксперимент чище, чем многие более «шумные» столкновения. Плюс к этому, при использовании интенсивных пучков и современных технологий можно добиться условий, где эффект коллективного излучения, когерентные процессы и нелинейная квантовая электродинамика становятся измеримыми, открывая двери к новым явлениям и проверкам теорий в экстремальном режиме.
Диаграммы Фейнмана — это не художественный крюк, а удобный язык, на котором физики рисуют возможные пути взаимодействия, и для e⁻–e⁻ процессов такие диаграммы существуют и показывают, например, обмен виртуального фотона или более сложные петли и вершины, где участвуют промежуточные частицы; утверждение, что столкновение двух электронов «нельзя нарисовать», — неверно, потому что графы легко формализуют и такие процессы, просто некоторые вершины и каналы в них менее «плодотворны» для рождения тяжёлых частиц, чем в аннигиляции с античастицей.
Таким образом, столкновение двух электронов — это не «скука», а тонкая симфония взаимодействий, смысл которой зависит от энергии, окружения и задач эксперимента: при низких энергиях это элегантный тест заряженного рассеяния, при высоких энергиях и в присутствии сильных полей это источник экзотических квантовых эффектов, а при столкновении с позитронами оно превращается в прямую фабрику новых частиц, что делает всю гамму вариантов бесконечно полезной для понимания природы.
В конце концов, вопрос «что будет, если столкнутся два электрона» переводит нас от простого любопытства к фундаментальной мысли о том, что в микромире каждое взаимодействие — это окно в структуру законов, и что именно через тонкие, казалось бы неприметные процессы квантовая вселенная раскрывает свои глубинные механизмы, требующие от нас и терпения, и воображения, и точности.