Для начала наш физик понимает, что специальная теория относительности и квантовая теория имеют последствия для квантового спина. Как уже говорилось ранее, спин, как и всё в микромире, состоит из дискретных частиц, а его фундаментальная единица составляет 1/2 от определённого значения (/2π).

Может показаться, что субатомная частица может иметь спин, равный любому производному значению от базового, например 19/2, 27 или 801. Но наш физик быстро понимает, что диапазон спинов в природе ограничен. Из бесконечного количества значений только пять совместимы с положениями специальной теории относительности и квантовой теории: 0, 1/2, 1, 3/2 и 2.

Спин частицы определяет, как она взаимодействует с другими частицами, а значит, определяет и явления, в которых она участвует. Наш физик решает поочерёдно рассмотреть частицы с каждым типом спина и записать на пустой доске все выводы, которые он сможет о них сделать.

Для начала он вычисляет, что в соответствии с квантовой теорией частицы с полуцелым спином подчиняются принципу Паули, из-за чего стараются избегать друг друга. Раз каждой из таких частиц требуется много места, значит, когда они собираются вместе в больших количествах, формируются вытянутые, протяжённые объекты.

На самом деле частицы со спином 1/2, известные также как кварки или лептоны, представляют собой фундаментальные строительные блоки материи. Типичным лептоном, разделяющим антисоциальную природу своих полуцелых собратьев, является электрон. Как писал Ричард Фейнман, «электроны нельзя поставить друг на друга, вот почему столы и другие предметы состоят из твёрдой материи».

Затем наш физик переходит к частицам со спином 1. Он понимает, что строительные блоки материи могут обмениваться ими и что именно за счёт этого обмена возникает взаимодействие. Существует три способа такого обмена, которые ведут к возникновению трёх фундаментальных сил природы.

Эти способы носят названия электромагнитной силы, а также сильного и слабого ядерного взаимодействия. Сильное ядерное взаимодействие связывает кварки по три в протоны и нейтроны и удерживает их в атомном ядре. Но на электроны его влияние не распространяется. Они удерживаются рядом с ядром за счёт электромагнитной силы, и таким образом возникает атом.

Наш запертый учёный не только вычисляет существование в природе 92 типов атомов (от самого лёгкого, водорода, до самого тяжёлого, урана), но и предполагает наличие широкого спектра химических соединений, возникающих благодаря миллионам различных способов соединения базовых атомных строительных блоков.

Итак, с частицами с полуцелым и целым спином мы разобрались. Теперь наш физик переходит к частице со спином 0. Он сразу же понимает, что такая частица представляет собой квант поля, пронизывающего всё пространство и сопротивляющегося движению других частиц. Таким образом, частицы приобретают инерцию, то есть массу.

Подобные частицы известны нам под названием бозон Хиггса. О его открытии было триумфально объявлено командой Большого адронного коллайдера в июле 2012 года.

Затем наш физик переходит к частицам со спином 2. Он понимает, что свойством таких частиц является взаимодействие со всеми прочими частицами, что приводит к возникновению «универсальной силы». После некоторого количества расчётов наш физик делает вывод, что из существования частиц со спином 2 неизбежно следует общая теория относительности. Это доказывает, что специальная теория относительности в некотором смысле имеет более фундаментальный характер, чем общая, иначе как вторая могла бы вытекать из первой (разумеется, в сочетании с квантовой теорией)?

Изучив общую теорию относительности, наш физик признаёт существование притяжения, действующего на длинных дистанциях в соответствии с законом обратных квадратов и заставляющего крупные тела двигаться по орбитам вокруг ещё более крупных тел. Нам известно, что планеты вращаются вокруг своих звёзд, а галактики могут двигаться вокруг других галактик. Но наш физик ничего об этом не знает, ведь он заперт в комнате без окон. Тем не менее ему удаётся логически вычислить существование Вселенной.

Частицу со спином 2 ещё никому не удалось обнаружить, и даже если она существует, есть основания полагать, что в ближайшем будущем мы её всё равно не увидим. Однако она соответствует описанию гравитона, гипотетической частицы — переносчика силы притяжения. Поскольку у физиков имеется теория гравитации, в соответствии с которой сила притяжения переносится гравитоном и которая выступает основой для общей теории относительности, в каком-то смысле они уже создали квантовую теорию гравитации.

К сожалению, эта теория — всего лишь проекция квантовой теории на мир больших величин и низких энергий, а не более глубокая её версия, применимая к миру на уровне планковской длины.

Наконец, наш физик рассматривает последний спин — 3/2. Частицы с таким спином обеспечивают существование суперсимметрии, при которой все частицы с полуцелым спином (фермионы) считаются лицевой стороной частиц с целым спином (бозонов).

На данный момент у нас нет экспериментального подтверждения того, что природа действительно использует частицы со спином 3/2. Но, учитывая то, что все остальные виды спинов действительно существуют, есть подозрение, что имеется и этот. Согласно данной гипотезе, к примеру, у электрона есть суперсимметричный брат-близнец, называемый селектроном. Суперпартнёры известных частиц считаются хорошими кандидатами на звание составляющих частиц тёмной материи Вселенной, масса которой, как известно, в шесть раз превышает массу видимых звёзд и галактик. Учёные предполагают, что мы ещё не обнаружили суперсимметричные частицы, потому что они очень массивны и для их создания необходимо больше энергии, чем сейчас может дать столкновение частиц в Большом адронном коллайдере.

Итак, наш физик рассмотрел частицы со всеми возможными видами спина и вычислил их поведение. Но есть и ещё один вывод, который он может сделать из специальной теории относительности и квантовой теории. Они предполагают, что каждая субатомная частица должна иметь партнёра с противоположным электрическим зарядом или спином. Каждый раз, когда в результате квантовой флуктуации вакуума появляется частица, вместе с ней возникает и античастица. Например, отрицательно заряженный электрон всегда формируется вместе с положительно заряженным позитроном.

 

Яндекс.Метрика Top.Mail.Ru