Всего два типа частиц создали всю нашу реальность: почему Вещество и Сила — это всё, что нужно Вселенной

Вы когда-нибудь задумывались, почему ваш мир так… основателен? Почему вы не можете пройти сквозь стену, почему стул под вами надёжно держит ваш вес, а чашка с кофе не просачивается сквозь стол? Ответы на эти бытовые вопросы уходят корнями в самую фундаментальную структуру реальности. Оказывается, всё многообразие Вселенной, от пылинок до гигантских звёзд, построено по удивительно простому двойственному принципу. Каждая элементарная частица, из которых мы состоим, принадлежит к одному из двух великих «царств»: либо это частица вещества, либо частица-носитель силы.

Их научные названия — фермионы и бозоны. И разница между ними — это не просто формальная классификация. Это два совершенно разных способа существования, два набора правил, которые и определяют, почему материя тверда, а свет способен мчаться сквозь пустоту.

Фермионы — архитекторы материального мира

Представьте себе компанию убеждённых индивидуалистов. Каждый из них требует для себя личного пространства и ни за что не станет занимать то же место или состояние, что и его сосед. Таковы фермионы. К этому классу относятся частицы, из которых построено всё, что мы можем потрогать: электроны, а также кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в ядрах атомов.

Главное правило их жизни — принцип запрета Паули. Он гласит, что два идентичных фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии одновременно. Звучит абстрактно? Давайте переведём. В атоме каждый новый электрон вынужден занимать следующую, более высокую по энергии «орбиталь», или слой. Он не может просто «упасть» на самый нижний уровень, если тот уже занят.

Что же это значит для нас с вами? Всё! Именно это свойство фермионов создаёт структуру. Оно заставляет электроны выстраиваться в атомах в сложные оболочки, что, в свою очередь, порождает всё богатство химии. Именно благодаря «неуживчивости» электронов существуют разные элементы — от водорода до золота, — способные соединяться в молекулы и создавать сложные структуры. Без этого правила все электроны во Вселенной просто сколлапсировали бы в однородную энергетическую «кашу», и никакой материи в привычном нам виде не существовало бы.

Так что, когда вы опираетесь на стол, вы на самом деле ощущаете в действии триллионы фермионов (электронов в атомах вашего тела и стола), которые коллективно «отказываются» уступать друг другу место. Они — истинные архитекторы нашего плотного, материального мира.

Бозоны — посланники и носители сил

А теперь представим себе полную противоположность — идеальных коллективистов. Эти частицы обожают находиться вместе, в одном и том же состоянии, усиливая друг друга. Это и есть бозоны. Самый известный из них — фотон, частица света.

В отличие от фермионов, бозоны не подчиняются принципу запрета. Напротив, они могут скапливаться в одном месте в неограниченном количестве. Лучший пример этого — лазер. Лазерный луч — это не что иное, как огромная армия фотонов-близнецов, идеально синхронизированных по частоте и направлению. Их коллективное действие создаёт мощный, сфокусированный поток энергии.

Эта «социальность» бозонов — ключ к пониманию всех фундаментальных сил природы. Электромагнитное взаимодействие, благодаря которому работает вся наша электроника и светит Солнце, — это постоянный обмен фотонами между заряженными частицами. Сильное ядерное взаимодействие, удерживающее протоны в ядре атома вопреки их отталкиванию, обеспечивается обменом другими бозонами — глюонами. Даже гравитация, как предполагают физики, должна переноситься гипотетическими бозонами — гравитонами.

Таким образом, складывается простая и изящная картина: фермионы строят сцену (материю), а бозоны управляют действием на ней (силами).

Загадка спина: откуда берётся эта двойственность?

Но почему частицы так строго делятся на эти два лагеря? Почему электрон — фермион, а фотон — бозон? Ответ кроется в одном из самых странных и неинтуитивных свойств частиц — спине.

Вопреки названию, спин — это не физическое вращение частицы вокруг своей оси, как у волчка. Это её фундаментальная внутренняя характеристика, своего рода квантовый аналог момента импульса. И измеряется он в необычных единицах.

• Бозоны обладают целочисленным спином (0, 1, 2…).
• Фермионы обладают полуцелым спином (1/2, 3/2…).

Казалось бы, какая разница? Но именно в этой половинке и кроется вся магия. Частица с целочисленным спином, совершив полный оборот на 360 градусов, возвращается в исходное состояние. А вот фермион со спином 1/2 — нет! Чтобы вернуться в первоначальное состояние, ему нужно совершить два полных оборота (720 градусов). После одного оборота его математическое описание меняет знак на противоположный.

Изначально связь между «социальным поведением» частицы и её спином была загадкой. Но в середине XX века была доказана теорема о связи спина со статистикой. Её математический аппарат невероятно сложен, но вывод поразительно прост и глубок: в нашей Вселенной с тремя пространственными измерениями частицы с полуцелым спином обязаны быть фермионами, а частицы с целым спином — обязаны быть бозонами. Попытка создать теорию, где это не так, приводит к нарушению базовых принципов физики, например, причинности (когда следствие наступает раньше причины).

Что, если изменить правила игры? Миры других измерений

Самое поразительное, что эта строгая дихотомия — свойство именно нашего трёхмерного мира. Физики выяснили, что в мирах с другим числом измерений правила могут быть совершенно иными.

Представьте себе плоский, двумерный мир. В нём частицы не могут «обойти» друг друга сверху или снизу. В таких условиях могут существовать экзотические частицы, названные энионами. Они не являются ни фермионами, ни бозонами, а представляют собой нечто среднее.

А в одномерном мире — на условной «проволоке» — различие между бозонами и фермионами и вовсе стирается. Два разных набора правил приводят к одному и тому же результату.

Это показывает, насколько глубоко фундаментальные законы природы связаны с геометрией самого пространства. Два царства частиц, которые кажутся нам незыблемой основой бытия, — это во многом следствие того, что мы живём в трёх измерениях.

И в этом осознании кроется подлинная красота физики. Сложный, хаотичный и бесконечно разнообразный мир, который мы видим вокруг, на самом глубоком уровне подчиняется всего нескольким элегантным и нерушимым правилам. Правилам двух великих царств — вещества и силы.