Если случайного человека спросить, сколько во Вселенной существует фундаментальных частиц, он почти наверняка вспомнит цифру со школьного плаката - семнадцать. Электрон, кварки, бозон Хиггса. Всё аккуратно разложено по полочкам Стандартной модели, как в таблице Менделеева.
Кажется, что это вопрос из разряда «сколько континентов на Земле». Но стоит задать этот же вопрос профессиональным физикам-теоретикам, и выясняется удивительная вещь - единого ответа не существует.
Более того, один из известных учёных утверждает, что, по его мнению, правильный ответ вообще не является целым числом.
Чтобы понять, как такое возможно, нужно помнить одну важную вещь. Стандартная модель - это не просто список частиц. Это набор уравнений, которые описывают квантовые поля, заполняющие всю Вселенную. Частицы, которые мы наблюдаем, на самом деле являются колебаниями этих полей. Об этом часто забывают.
На школьных схемах обычно показывают 17 фундаментальных частиц. Это 12 частиц вещества: электрон, мюон, тау-лептон, три вида нейтрино и шесть кварков. К ним добавляются четыре переносчика взаимодействий: фотон, W-бозон, Z-бозон и глюон. Ещё есть бозон Хиггса. Он не переносит силу и не относится к веществу. Его роль в том, что благодаря ему другие частицы получают массу.
Для большинства задач такого списка вполне хватает. Но стоит задать вопрос теоретику и попросить посчитать все элементарные частицы более строго, как начинаются споры. Оказывается, всё не так просто, и число частиц начинает быстро расти.
Как сосчитать античастицы?
Первая трещина в стройной картине - это античастицы. Из-за требований специальной теории относительности у каждой частицы материи должен существовать двойник с противоположным зарядом. У электрона позитрон, у кварка - антикварк.
Проще не считать их отдельно, потому что математически они почти зеркально повторяют поведение обычных частиц (любопытный факт: античастицу можно формально описать как обычную частицу, летящую назад во времени).
Но логика тут хромает. Античастицы и частицы ведут себя в реальности совершенно по-разному. Вселенная почти целиком состоит из вещества, а не антивещества, и именно эта асимметрия - одна из главных нерешённых загадок современной космологии. Если считать честно, семнадцать превращаются в тридцать.
Что делать с глюонами?
Дальше глюоны, переносчики сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки внутри протонов и нейтронов.
В популярных объяснениях говорят об одном глюоне, но в реальных уравнениях их восемь, и каждый несёт свою уникальную комбинацию так называемых цветовых зарядов.
Экспериментально отличить один тип глюона от другого нельзя - в детекторе они неразличимы. Но в математике, на которой держится вся теория, эти восемь глюонов так же различны, как фотон и Z-бозон.
Если быть последовательным, тридцать превращаются в тридцать семь.
Ну а кварки?
С кварками история похожая, только ещё запутаннее. У каждого из шести типов кварков (их ещё называют ароматами) есть три цветовых варианта - условно красный, зелёный и синий, - а у антикварков, соответственно, три антицвета.
Слово «цвет» здесь не имеет отношения к видимому спектру. Это просто удобная метафора для математического свойства, которое определяет, как кварки склеиваются глюонами.
Природа устроена так, что в свободном виде может существовать только цветонейтральная комбинация - три кварка разных цветов вместе дают «белый», точно так же, как смешение красного, зелёного и синего света даёт белый цвет на экране. Учитывая все варианты, тридцать семь частиц превращаются в шестьдесят одну.
И это ещё не предел. У частиц материи есть свойство, которое физики называют хиральностью - нечто вроде квантового аналога различия между левой и правой рукой.
Ни один физик не может объяснить, почему так настаивает на различении лево- и правосторонних частиц. Но слабое ядерное взаимодействие в природе устроено асимметрично и затрагивает только левосторонние частицы материи, а нейтрино в Стандартной модели вообще существуют исключительно в левосторонней форме.
Переносчики сил тоже имеют подобные состояния поляризации, причём у W- и Z-бозонов их даже на одно больше, чем у фотона и глюона. Это «лишнее» состояние возникло из взаимодействия с полем Хиггса в первые мгновения после Большого взрыва.
Если считать каждое такое состояние отдельной частицей, итоговое число доходит до ста восемнадцати- от право-поляризованного антисинего очарованного антикварка до лево-поляризованного зелёно-антикрасного глюона.
Именно тут начинается самое странное.
Степени свободы
Физики используют понятие «степени свободы». Это, по сути, число независимых способов, которыми может меняться квантовое поле. И тут обнаруживается закономерность - количество различимых степеней свободы зависит от масштаба наблюдения.
Чем грубее мы смотрим на материю, тем меньше переменных нужно для её описания. Чем глубже мы заглядываем (приближаем протон и видим внутри него кварки со всеми их цветами) тем больше степеней свободы обнаруживается.
А ведь в первые мгновения после Большого взрыва энергии были настолько высоки, что могли существовать частицы, которых в современной холодной Вселенной попросту не бывает. Например, тяжёлые правосторонние нейтрино, которые предсказывают некоторые расширения Стандартной модели.
По мере остывания Вселенной такие частицы выпадают из доступного нам списка, потому что для их рождения просто не хватает энергии. Доведя эту логику до предела, можно представить, что при достаточно низкой энергии в мире останется одна-единственная безмассовая частица — фотон.
Ещё в 1989 году физик Джон Карди предположил, что в любой непротиворечивой квантовой теории поля число эффективных степеней свободы обязано уменьшаться по мере перехода от мелкого масштаба к крупному - то есть мир не может становиться «сложнее» при удалении от микроскопических деталей.
Для упрощённых одномерных теорий поля это удалось доказать математически довольно быстро. А вот для теорий вроде Стандартной модели, описывающих наш настоящий четырёхмерный мир (три пространственных измерения плюс время), доказательство появилось куда позже.
Оказалось, что скалярное поле (как поле Хиггса) обязано иметь ровно одну степень свободы. Поле материи - ровно пять с половиной. Силовое поле - ровно шестьдесят две. Откуда берутся именно эти числа, доказательство не объясняет - оно лишь показывает, что никакие другие значения математически не работают.
Если применить эту формулу к самым первым мгновениям существования Вселенной, до того как поле Хиггса перераспределило степени свободы между частицами и наделило их массой, получается следующая картина. Четыре скалярных поля (одно из которых впоследствии стало современным полем Хиггса), сорок пять фермионных полей материи и двенадцать силовых полей - восемь глюонов плюс четыре первичных бозона, из которых позже получились W+, W−, Z и фотон.
Антиматерия здесь отдельно не считается. Она уже заложена в той самой половинке степени свободы у каждого фермионного поля. Подставив все числа в формулу - четыре скаляра на единицу, сорок пять полей материи на пять с половиной, двенадцать силовых полей на шестьдесят два - итог девятьсот девяносто пять с половиной.
Так что же делать?
Получается на редкость неуютная картина. У вопроса, который кажется элементарным (буквально вопросом про элементарные частицы) нет единственно верного числового ответа.
Семнадцать годится для школьного плаката. Тридцать - если честно учесть антивещество. Шестьдесят один - если добавить цветовые заряды кварков. Сто восемнадцать - если разделить частицы по хиральности и поляризации. И девятьсот девяносто пять с половиной если довериться строгой теореме о степенях свободы и заглянуть в эпоху, предшествующую первым мгновениям после Большого взрыва.
Сами физики признаются, что во всём этом ему видится не столько триумф точности современной физики, сколько честное напоминание о том, что квантовая теория поля — невероятно сложная конструкция, в которой человечество пока разобралось далеко не до конца.
Не забывайте ставить лайки статье и подписываться! Это очень важно для развития проекта, а вы будете видеть ещё больше интересных статей в ленте! На канале есть премиум, где много интересного.