Обязано ли наше тело своим физическим весом виртуальным частицам?

Человеческий организм привычно описывать в категориях биологии и химии. Мы знаем, что наше тело состоит из органов, органы — из клеток, а клетки — из сложных органических молекул, в основе которых лежат углерод, водород, кислород и другие химические элементы. Эта картина ясна и полностью соответствует нашему повседневному опыту. Мы воспринимаем себя и окружающие предметы как плотные, непрерывные и стабильные объекты.

Однако физика элементарных частиц предлагает принципиально иной взгляд. С точки зрения фундаментальной науки осязаемая плотность нашего тела — это макроскопический эффект, за которым скрывается сложная динамика субатомных процессов. Физические свойства, которые мы считаем базовыми — например, масса и твердость, при ближайшем рассмотрении оказываются результатом непрерывного обмена энергией между фундаментальными полями. Более того, большая часть массы нашего тела создается физическими процессами, которые происходят на грани реального и виртуального миров.

Иерархия масштабов: от живой клетки к фундаментальным частицам

Совершим последовательный спуск по масштабам вещества.

На уровне химии основа нашего организма — это молекулы. Самая распространенная из них — вода. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Атом водорода — самый простой во Вселенной: у него есть положительно заряженное ядро (протон) и один отрицательно заряженный электрон, который движется вокруг ядра. Атом кислорода устроен сложнее: его ядро содержит восемь протонов и восемь нейтронов, вокруг которых распределены восемь электронов.

На этом уровне физики разделяют частицы на две принципиальные группы:

1. Фундаментальные частицы. Они не имеют внутренней структуры и не состоят из более мелких элементов. К этой группе относится электрон. Все попытки физиков обнаружить у электрона внутреннюю структуру или измерить его радиус показывают, что он ведет себя как точечный объект.
2. Составные частицы. Они представляют собой связанные системы из более мелких компонентов. К этой группе относятся протоны и нейтроны (их общее название — нуклоны), образующие ядра всех атомов.

До середины XX века протоны и нейтроны считались неделимыми элементами материи. Однако дальнейшие исследования показали, что внутри них скрывается собственная сложная структура. Они состоят из более мелких фундаментальных частиц — кварков.

Эксперимент в Стэнфорде: как физики заглянули внутрь протона

Открытие внутренней структуры протона произошло в конце 1960-х годов в Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC). Физики использовали метод, который называют глубоко неупругим рассеянием.

Суть эксперимента заключалась в том, что пучок электронов разгоняли до околосветовых скоростей и направляли на мишень, содержащую протоны. Из-за высокой энергии электроны проникали глубоко внутрь протонов. Если бы протон был сплошным, однородно заряженным шариком, электроны рассеивались бы под небольшими углами, распределяясь равномерно.

Однако результаты измерений показали, что значительная часть электронов отскакивала под очень большим углами, как будто они сталкивались с крошечными, чрезвычайно плотными и жесткими центрами внутри протона. Этими центрами оказались кварки.

Физики установили, что существует шесть разновидностей (или «ароматов») кварков, но обычное стабильное вещество состоит всего из двух:

• u-кварк (верхний, от английского up): обладает электрическим зарядом в плюс две трети от заряда протона;
• d-кварк (нижний, от английского down): обладает электрическим зарядом в минус одну треть.

Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего. Их суммарный заряд равен плюс единице (результат сложения двух третей, двух третей и минус одной трети). Нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего, что в сумме дает нулевой заряд (результат сложения минус одной трети, минус одной трети и плюс двух третей). Кварки, как и электроны, являются фундаментальными частицами. На сегодняшний день нет никаких экспериментальных данных, указывающих на наличие у них внутренней структуры.

Загадка исчезнувшей массы: математическое противоречие

Когда физики определили структуру протона и измерили массы составляющих его кварков, они столкнулись с противоречием.

Для измерения масс в микромире используется единица энергии — мегаэлектронвольт, разделенная на квадрат скорости света. Физические измерения дают следующие значения:

• Масса протона составляет примерно 938 мегаэлектронвольт в эквиваленте массы.
• Масса одного верхнего кварка равна примерно 2,2 мегаэлектронвольта.
• Масса одного нижнего кварка равна примерно 4,7 мегаэлектронвольта.

Если сложить массы трех кварков, образующих протон (два верхних и один нижний), мы получим всего 9,1 мегаэлектронвольта.

Это составляет менее одного процента от реальной массы протона. Аналогичная ситуация наблюдается и с нейтроном: сумма масс его кварков дает около одиннадцати с половиной мегаэлектронвольт, тогда как реальная масса нейтрона превышает девятьсот тридцать девять мегаэлектронвольт.

Возникает вопрос: откуда берутся остальные девяносто девять процентов массы протонов и нейтронов, а следовательно, и всей видимой материи нашего тела?

Ответ на этот вопрос кроется в природе сил, которые удерживают кварки вместе.

Физика удержания: почему нельзя изолировать кварк

Сила, связывающая кварки внутри протонов и нейтронов, называется сильным взаимодействием. Это самое мощное взаимодействие из четырех фундаментальных сил природы (остальные три — гравитационное, электромагнитное и слабое).

Механизм сильного взаимодействия принципиально отличается от электромагнитного, которое связывает электроны с ядрами атомов. Электромагнитная сила подчиняется закону обратных квадратов: по мере удаления электрона от ядра сила притяжения между ними быстро падает. Из-за этого атом можно ионизировать — то есть полностью оторвать электрон от ядра, потратив относительно небольшую энергию.

С сильным взаимодействием кварков все происходит иначе. Сила притяжения между ними не ослабевает с увеличением расстояния. Она остается постоянной и чрезвычайно большой — около пятнадцати тонн в пересчете на макроскопические единицы силы.

Это явление физики называют конфайнментом (удержанием). Из-за него кварки физически не могут существовать в свободном, изолированном виде. При попытке раздвинуть кварки друг от друга тратится колоссальная энергия. По мере увеличения расстояния энергия поля взаимодействия между ними возрастает.

Когда расстояние между кварками превышает размер протона (оно составляет примерно одну квадриллионную долю метра), плотность энергии поля становится настолько высокой, что запускается процесс рождения пар частица-античастица. Согласно принципу эквивалентности массы и энергии, где энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света, в этой точке энергия поля переходит в массу: рождается новая пара из кварка и антикварка. В результате вместо отделения одного кварка физики получают две связанные системы: исходную частицу и новую составную частицу, состоящую из кварка и антикварка.

Природа виртуальных частиц: энергия взаймы

Переносчиками сильного взаимодействия являются безмассовые частицы — глюоны. Кварки непрерывно обмениваются ими, за счет чего и удерживаются вместе. Но эти глюоны обладают важной особенностью: они являются виртуальными частицами.

В квантовой механике понятие «виртуальная частица» строго определено. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, физическая система может на очень короткое время нарушить закон сохранения энергии. Этот закон устанавливает жесткую связь: произведение неопределенности энергии системы на время существования этого состояния не может быть меньше половины приведенной постоянной Планка.

Это означает, что вакуум не является абсолютно пустым пространством. В нем постоянно происходят микроскопические колебания энергии (флуктуации). На очень короткий промежуток времени квантовое поле может «занять» энергию из вакуума, чтобы родить частицу-переносчик взаимодействия. Эта частица должна быстро исчезнуть, вернув энергию обратно в поле, чтобы закон сохранения энергии не нарушался на макроскопическом уровне.

Виртуальные частицы отличаются от реальных следующими свойствами:

1. Невозможность прямой регистрации. Виртуальную частицу нельзя поймать в детектор в качестве свободного объекта. Она существует только в процессе взаимодействия между другими, реальными частицами.
2. Отсутствие жесткой связи между массой, импульсом и энергией. Для реальных частиц закон теории относительности жестко связывает эти три параметра через массу покоя и скорость света. Виртуальные частицы могут нарушать эту закономерность. Физики говорят, что они находятся «вне массовой поверхности».

Обмен виртуальными частицами происходит во всех фундаментальных взаимодействиях. Например, электромагнитное отталкивание двух электронов описывается как непрерывный обмен виртуальными фотонами. Однако в случае сильного взаимодействия внутри протона этот процесс приобретает определяющее значение для формирования физических свойств вещества.

Где скрывается масса нашего тела?

Поскольку глюоны не имеют собственной массы, а суммарная масса кварков составляет менее одного процента от массы протона, происхождение оставшихся девяноста девяти процентов массы долгое время оставалось загадкой. Физика решила ее с помощью теории квантовой хромодинамики.

Масса любого составного объекта складывается не только из масс его компонентов, но и из энергии их движения и взаимодействия. Внутри протона кварки движутся со скоростями, близкими к скорости света. Их кинетическая энергия чрезвычайно велика. Кроме того, поле сильного взаимодействия, переносимое виртуальными глюонами, обладает огромной потенциальной энергией связи.

Согласно знаменитому уравнению Эйнштейна, масса и энергия эквивалентны. Масса протона — это мера полной энергии, содержащейся внутри него. Она складывается из трех составляющих:

1. Собственные массы кварков (около одного процента).
2. Кинетическая энергия движения кварков внутри протона.
3. Энергия поля сильного взаимодействия, обусловленная непрерывным рождением и поглощением виртуальных глюонов и пар виртуальных кварк-антикварков.

Таким образом, когда мы взвешиваемся на весах, прибор измеряет не массу «твердых кирпичиков материи», а общую энергию субатомных процессов, происходящих внутри наших атомов. Наше тело обладает весом преимущественно потому, что внутри наших протонов и нейтронов непрерывно циркулирует колоссальная энергия сильного взаимодействия, переносимая виртуальными частицами.

Поля вместо кирпичиков: новая картина материального мира

Открытие виртуальных процессов заставило физиков полностью пересмотреть классические представления о природе материи.

В повседневной жизни мы привыкли делить мир на «вещество» (то, что имеет массу и объем) и «поле» (то, через что вещество взаимодействует, например, магнитное или гравитационное поле). На фундаментальном уровне это деление исчезает.

Современная физика описывает Вселенную через квантовую теорию поля. Согласно этой концепции, базовой реальностью являются непрерывные квантовые поля, заполняющие все пространство: электронное поле, кварковое поле, электромагнитное поле, глюонное поле и другие.

То, что мы называем стабильными частицами (например, электроны или кварки), — это устойчивые локальные возбуждения соответствующих полей. Виртуальные частицы — это кратковременные, неустойчивые колебания этих же полей, которые возникают при их взаимодействии.

Вещество нашего тела не является статичной конструкцией из твердых деталей. Это сложная динамическая система, структура которой поддерживается за счет постоянного, невероятно быстрого обмена энергией между различными квантовыми полями. Без непрерывного рождения и уничтожения виртуальных глюонов кварки не смогли бы удерживаться внутри протонов и нейтронов, ядра атомов распались бы, и существование химических элементов стало бы невозможным.

Физический вакуум как основа стабильности

Осознание роли виртуальных процессов меняет и наше понимание пустоты. Вакуум в современной физике — это не отсутствие материи, а квантовая система, находящаяся в состоянии с минимальной энергией.

В этом состоянии поля не равны нулю, они постоянно флуктуируют. Виртуальные частицы непрерывно рождаются из вакуума и исчезают в нем. Этот процесс физики называют поляризацией вакуума.

Внутри протона физический вакуум находится в крайне напряженном состоянии из-за присутствия кварков с их зарядами. Интенсивность рождения виртуальных глюонов и виртуальных кварк-антикварковых пар там многократно выше, чем в свободном пространстве. Эта субатомная активность вакуума непосредственно формирует внутреннюю структуру нуклонов и определяет их массу.

Таким образом, стабильность и само существование макроскопического мира полностью зависят от динамических процессов, происходящих на квантовом уровне. Твердость предметов, их масса и инерция — свойства, которые кажутся нам очевидными и фундаментальными, на самом деле являются внешним проявлением сложной и непрерывной активности субатомных полей, обменивающихся виртуальной энергией в масштабах времени, недоступных для прямого человеческого восприятия.