Рассказ в картинках про три взаимодействия Стандартной Модели (из которых нет ни одного вменяемого) с упором на странности сильного (цветного) взаимодействия, а также про конфайнмент кварков и состав протона.
Картинки ИИшные, а текст человеческий. Слышал, теперь это новое требование — но я никогда ИИшкой текст и не писал, только сам на буковки нажимаю.
Виды взаимодействий
Так получилось, что в нашей Вселенной три вида взаимодействий, иначе их называют «силами». Мы не будем считать гравитацию (которая, строго говоря, не сила) и давление вырождения — несмотря на способность поддерживать в стабильном состоянии белые карлики и даже нейтронные звезды это тоже не сила, а математический артефакт.
Сил три, и каждая со своими тараканами:
Проблемы электромагнитного взаимодействия известны всем, кто читал лекции Фейнмана по Q.E.D., здесь я стою в тени великого человека. Напомню, что при уменьшении расстояния сила увеличивается как 1/r**2, то есть стремится к бесконечности. Но проблема еще серьезнее — оказывается, сила электромагнитного взаимодействия растет быстрее, чем требует закон обратных квадратов. Чем более маленькие расстояния мы исследуем, тем выше энергии, тем больше циклов диаграмм Фейнмана надо учитывать:
В популярной литературе иногда говорят о «шубе» из виртуальных частиц. На самом деле, если учитывать все циклы, то сила взаимодействия обращается в бесконечность даже не в нуле, а на крошечном расстоянии (так называемый полюс Ландау). Практического значения это не имеет, но как бы намекает, что теория не полна (так оно и есть).
Но есть и хорошие новости: растет она медленно (логарифмически), как видно на картинке выше становится больше на 7% при очень высокой энергии (куда выше взрывов сверхновых). Для расчетов давно придумали метод нормализации, который позволяет не считать все эти циклы по отдельным точкам (мы к этому еще вернемся), а сразу получить быстро сходящийся ряд. Ряд ведет себя так, что все дополнительные коэффициенты можно абсорбировать в увеличившуюся альфа.
И это очень хорошо, потому что это не всегда так — например, с гравитацией (если ее попытаться запихнуть в тот же framework) такой фокус не проходит — у рядов возникает бесконечное количество несвязанных коэффициентов коррекции, с которыми непонятно что делать.
Слабое взаимодействие мы оставим пока — о нем я много писал в предыдущей статье.
Сильное взаимодействие
Основным багом (она же фича) сильного взаимодействия является то, что само поле заряжено — переносчик взаимодействия не нейтрален, как фотон, а имеет цвет. Подумаем, к чему это приведет на примере одного заряда (у сильного их три).
Итак, берем заряженный шар, Его окружает поле. Оно создает вторичное поле. То еще одно. Хм, кажется это дурная бесконечность и это никогда не кончится. И да, нельзя задать во вселенной некомпенсированный цвет — в сумме она должна быть «белой».
Впрочем, для электрических зарядов в конечной вселенной это тоже верно — замкнутая вселенная обязана иметь полный электрический заряд равный нулю. (линиям электрического поля негде закончиться и они будут бесконечно нарезать круги внутри замкнутой вселенной)
Но хорошие новости — так как заряд сохраняется, а поле заряжено, то поле должно отнять часть заряда с шара. Потом еще и еще. Заряд с шара стекает и поэтому для сильного взаимодействия сила при уменьшении расстояния не увеличивается, а уменьшается! Это здорово и позволяет легко считать.
Но это единственная хорошая новость. Три другие не очень.
Глюонное стекло
Первая не очень хорошая новость заключается в том, что глюоны (g) любят участвовать в реакциях g → gg, то есть глюон буквально раздваивается в виртуальную пару! Получившиеся глюоны дробятся еще и еще по экспоненте. Их становится так много, что некоторые даже начинают слипаться из‑за недостатка места (gg → g), и такое насыщение называется глюонным стеклом. Впрочем, рост количества глюонов это не останавливает, а только замедляет.
Вы, конечно, спросите, а когда это останавливается? А никогда. Просто новые поколения глюонов вносят все меньший вклад... Вспомнился анекдот про то что «так мы... до мышей...» В общем, как дальние члены ряда Тейлора. Но g → gg не единственная реакция, появляются и виртуальные кварки, и чем энергия больше (чем больше разрешение, то есть чем меньше расстояния) тем их больше.
На низких энергиях это выглядит как вы знаете, три кварка связанные глюонами. На бОльшей энергии появляется больше кварков и глюонов:
Здесь виртуальные кварки нарисованы меньше размером. Однако нет никакого разделения 'эти кварки настоящие (валентные), а эти — виртуальные'. Известно что кварков 3 + некоторое число виртуальных, но какие настоящие вы сказать не можете. В столкновениях на коллайдере участвуют все.
При высоких энергиях это число растет неограниченно:
как фрактал, причем число глюонов растет быстрее.
Давайте будем более конкретными:
Уровень энергии |
Температура, K |
Энергия Mev/Gev |
Число кварков |
Число глюонов |
Сверхновая |
350B |
30 Mev |
0, протон выглядит как единое целое |
то же |
QCD / столкновение нейтронных звезд |
2320B |
200 Mev |
3 кварка |
не простукиваются при столкновениях |
Электрослабый уровень |
1.86E15 |
160 Gev |
25 |
43 |
Предел коллайдера LHC |
7.89E16 |
6.8 Tev |
231 |
537 |
Ранняя вселенная |
1.16E18 |
100 Tev |
1040 |
2770 |
LHC при столкновении видит довольно много кварков и глюонов:
Обратите внимание, что протоны выглядят как блины. Это происходит из‑за сокращения Лоренца, их ширина (в системе отсчета коллайдера) уменьшается в 7 тысяч раз. Они столько тонкие, что проходят друг сквозь друга за время порядка 10^-27 секунды, что меньше практически всех процессов — даже неуловимый top кварк живет дольше, поэтому столкновение ловит практически «стоп кадр»
Конфайнмент
Если электромагнитное поле упрощается при росте расстояний (и возвращается к режиму обратных квадратов), то при увеличении расстояния с глюонным полем происходит фигня. Пока кварки недалеко друг от друга все хорошо:
Но когда кварки даже просто отходят на разные стороны протона, то глюонное поле между ними начинает натягиваться и напрягаться:
Если кварк пытается покинуть протон, то поле стягивается в трубку (скорее трубку, а не струну, причем ширина трубки растет с расстоянием логарифмически), на картинке ниже трубка на пределе обрыва, ее длина и ширина показаны с охранением масштаба по реальным вычислениям:
Сила натяжения трубки около 14 тонн силы. То есть далеко от протона кварк улететь не может. Если у кварка много энергии, то трубка лопается, и на концах образуются кварки:
Так это рассказывает популярная литература. На самом деле виртуальных пар, как вы видели выше, и так с избытком, они есть всегда, просто в какой то момент энергии оказывается достаточно, чтобы они стали валентными. Это тоже упрощение, про 'в какой то момент'. Процесс плавный, вероятность обрыва растет, вероятность сохранения трубки падает, и, как всегда в квантовой механике, они сосуществуют. Звонкого звука обрыва струны не раздается)
Массы кварков
Мы хорошо знаем массу электрона, потому что они могут существовать изолированно:
А вот кварк выделить из слизи глюонов вокруг невозможно:
И что же тогда считают массой кварка? Их рассчитывают рядами и бросают считать при определенной (высокой) энергии, пока ряды еще сходятся и конфайнмент не действует, грубо говоря, прямо в коробке с кварками. Получаем:
Кварк |
Масса, Mev |
При энергии (MSbar mass) |
up |
2.20 |
2 Gev |
down |
4.69 |
2 Gev |
strange |
92.74 |
2 Gev |
charm |
1275 |
1.275 Gev |
bottom |
4196 |
4.196 Gev |
top |
162 700 (***) |
*** см примечание *** |
То есть массы не только результат некоего расчета неполных рядов, но и обрывается этот расчет для разных кварков в разных местах. Поэтому если вы видите человека, который выводит массы кварков из каких то общих принципов, то это чистая нумерология (впрочем, см. Примечание о нумерологии)
Для top кварка указанные значения массы могут отличаться, потому что иногда используют MSbar mass, иногда считают pole mass — изолированно, как для электрона. Как это возможно? Дело в том, что этот кварк так тяжел, что он просто не успевает «обрасти» глюонами и связаться достаточно сильно с глюонным полем. Конфайнмент его бы все равно «не отпустил», но он просто не успевает дожить до попытки куда то улететь. Впрочем, при его массе поправки плюс минус 200 MeV от остатка рядов все равно становятся несущественными.
Немного о нумерологии
Если наивный отрок‑нумеролог пытается найти связь между массами кварков в таблице, то это сразу выдает его незнание — то что в таблице — лишь искаженные тени реальных значений.
Умудренный муж же будет искать зависимости между тем, что дает это массы через Хиггса, то есть в значениях матрицы Yukawa. И мужу по фамилии Wolfenstein это удалось (тут самое странное — объяснить большой разброс значений), а два других мужа: Froggatt и Nielsen предложили стоящий за этим физический, не нумерологический механизм.
В «константе» 1/137 тоже ничего магического нет, она растет с энергией, и масса лептонов это тоже лишь тень, инфракрасный предел некоторых рядов и... и поэтому столь дикой выглядит формула Койде. Тем более что при высоких энергиях она становится все менее точной. Она выглядит как мистика, совпадение, или нумерология, как свет от луны и тени от ветвей случайно складываются в причудливые узоры:
Как это считают
А как все это считают? О, это ужасно. При росте расстояния (при уменьшении энергии к qcd = 200 Mev) ряды, про которые я говорил, перестают сходиться. Поэтому рисуют диаграмки Фейнмана и считают по точечкам:
А, ну понятно, скажете вы. Берем 3D решетку, считаем, получаем что на следующем шаге, потом снова считаем итд. Но нет — решетка 4D, так как узлы влияют друг на друга в любых направлениях и на больших расстояниях.
В итоге топовые расчеты идут с 256×256×256 узлов в 3D умножить на 256 точек времени. Для чего это хватает? До ядер с числом нуклеонов 4 (гелий-4 — 12 валентных кварков), более сложные ядра пока рассчитать не удается. Все мощности были заняты биткоином)
Как будто этого мало, расчеты страдают от sign problem — вычитания близких чисел, когда разные члены уравнения дают +1.000000000001 и -1, и остаток вам принципиально важен, а количество конфигураций для расчета растет экспоненциально с падением температуры, так что эта задача доказано является NP‑сложной.
Комментарии (32)
AnnaLimit
16.09.2026 20:11Значит, протоны на скорости света плющатся по Лоренцу? А ничего, что протонов в одном пучке сотня миллиардов и они все плющатся? При этом их масса становится релятивистской? И не должны ли рождаться чёрные микродыры?
Ну и наконец, Автор ничего не сказал про релятивистское время расплющенных протонов. Протоны со временем разгона плющатся, и одновременно их масса растет и на плющенье требуется всё больше энергии, а время всё больше замедляется и скорость плющенья сходит на нет?Говорят, что вредно множить сущности. Но возможно, заточка ржавой бритвы Оккама хотя бы подкачает мусколатуру?
alexey_dymnikov
16.09.2026 20:11Нет никакой "релятивистской" массы.
Масса - инвариант.
А говорить про "массу" кварков практически бессмысленно. Лучше про энергию
black_warlock_iv
16.09.2026 20:11Говорить про массу кварков осмысленно, но только тогда когда хотя бы примерно понимаешь что такое ренормгруппа Гелл-Манна — Лоу (и чем она отличается от ренормгруппы Вильсона).
Если не понимаешь, то да, проще считать, что как таковой массы у кварков нет.
Wizard_of_light
16.09.2026 20:11И не должны ли рождаться чёрные микродыры?
Должны, но для этого земные ускорители мягко говоря слабоваты. Гравитационный радиус для протона с энергией в 7 ТэВ всё ещё меньше планковской длины (~3*10^-50 метра, или 10^16 раз меньше планковской длины), при этом даже его "продольная длина" всё ещё в те же 10^16 раз больше этой планковской длины.
Tzimie Автор
16.09.2026 20:11Нет. Для создания черной дыры объект должен уйти под свой радиус Шварцшильда В СВОЕЙ СОБСТВЕННОЙ СИСТЕМЕ ОТСЧЕТА. Просто быстро лететь и иметь из-за этого некоторые элементы тензора массы энергии не засчитывается
Wizard_of_light
16.09.2026 20:11Ну да, если он на что-нибудь так удачно налетит, чтобы кинетическая энергия перешла в массу частиц и при этом осталась внутри классического радиуса, сплющенного по Лоренцу...
Tzimie Автор
16.09.2026 20:11Да, но минимальная масса для возникновения черной дыры - это планковская масса, доля грамма. 100 миллиардов протонов не дотягивают до нее 8 порядков.
Wizard_of_light
16.09.2026 20:11Да. Но они и в классике по занимаемому объёму очень сильно больше Шварцшильдовского предела, даже если бы их как шарики с классическим радиусом в банку насыпать можно было. Даже если бы как блинчики со сплющенным по Лоренцу классическим радиусом... И если бы планковского предела не было)
AnnaLimit
16.09.2026 20:11речь не про один протон, а про пучок в 100 миллиардов протонов, длина пучка при старте в БАКе 20 см, которую Лоренц укоротит и расплющит, плюс встречный такой же пучок - итого 200 миллиардов сверхсветовых протонов - что мешает коллапсу?
ceresian
16.09.2026 20:11Что надо еще десятую часть Луны протонов для пучка, или в одиночный протон целую гору.
А БАК слалабоват для этого.
Wizard_of_light
16.09.2026 20:11Так даже если бы эти 200 миллиардов протонов удалось утрамбовать в объём одного протона - это всего 11 порядков по массе, а до чёрной дыры не хватает больше 32 порядков. Но их и утрамбовать так не выйдет.
ceresian
16.09.2026 20:11Никто не понимает цыфры.
Для понятного объяснения надо использовать стадионы или другие привычные объекты.
А то придумали какие-то порядки-беспорядки.
Tzimie Автор
16.09.2026 20:11Ещё раз. Дело абсолютно не в энергиях и плотностях. Все расчеты для черной дыры делаются в системе где она стоит. Для летящего объекта расчеты другие. В частности, если летящий объект сам по себе в своей системе отсчёта не является черной дырой, то не станет ни в какой другой
Для быстро летящей частицы наше солнце сплюснуто в блин и плотность в наивном расчете достаточна для возникновения черной дыры. Только вот это так не работает
AnnaLimit
16.09.2026 20:11то есть, квантовая гравитация невозможна?
ceresian
16.09.2026 20:11Гипотетически при большом взрыве могло быть образование первичных черных дыр.
Wizard_of_light
16.09.2026 20:11Эм, как-то я потерялся на повороте. Не знаю, возможна ли квантовая гравитация, но не представляю как она нам поможет сделать чёрную дыру из протона, даже если она возможна.
AnnaLimit
16.09.2026 20:11в сообщении Автора речь идёт не о простом протоне, а множестве наборов из расплющенных кварков-глюонов. Наборы крутятся со световой скоростью в собственной системе отсчёта - в кольце магнитного поля. И ничего релятивистского не происходит: время не замедляется, масса не зашкаливает, "ткань" пространства-времени не рвётся.
Ссылаться на размеры Планка? Но в расчёте размеров участвует гравитационная постоянная. Так где же её проявление?
Silent_John
16.09.2026 20:11'Если у протона действительно имеется внутренняя структура' то он не является монолитным и внутренне статичным объектом: это значит 'что каждая его динамическая составляющая имеет относительно внешнего наблюдателя свою собственную скорость' — следовательно, никакой плоской границы сплющивания 'как показано на рисунке' не будет; причём это касается не только внутреннего вещества протона, но и полей внутренних взаимодействий, пространственной и временной неоднородности воздействия внешних полей.
'Если учОные действительно работают с представленной картинкой релятивистского сплющивания протона и у них что-то там замечательно сходится-подтверждается' то это чистой воды фальсификация, в том числе теории относительности. Впрочем, в пользу недонаучности, псевдонаучности, лженаучности всей этой «фундаментальной» возни говорит тот факт 'что 'несмотря на десятки лет «исследований», тысячами «гениев», достигнутые уровень и масштабы «исследовательских» техники и технологий', в частности, так и не решена одна крохотная проблема — переработка отходов ядерной энергетики'.
Kupkupich
16.09.2026 20:11Картинка в статье схематичная, никто не утверждает наличие идеального жесткого диска с полированными краями. Физики описывают протон через структурные функции распределения партонов по долям продольного импульса. В расчетах рассеяния эту внутреннюю динамику учитывают вдоль и поперек
Kupkupich
16.09.2026 20:11Если бы черные дыры открывались от простого движения, мы бы схлопывались в сингулярность относительно космических лучей каждый вторник
big_fun
16.09.2026 20:11Стандартная модель так и остаётся моделью. Это всего лишь наше представление о элементарных частицах. Которое, сложилось за десятилетия исследований. Ответа почему она такая нет. О кварках, лептонах, бозонах, квантах и их взаимодействиях я знаю уже 40 лет. Эта статья красивыми картинками демонстрирует то, что человеческий мозг не может представить. Не может, потому что процессы эти сложные, не имеют аналогов в повседневном человеческом опыте, а также из-за несовершенства человеческого разума. Приходится использовать аналогии, которые хоть что-то объясняют и могут дать представление о процессах. Хотя в реальности всё может быть не так или вообще не быть.
Чем статья хороша? Ну, красиво. И это всё! А чем плоха? Те, кто, будет её читать, и при этом не знает Стандартную модель, тот ничего про неё ничего не поймет, и она у него в голове она не сложится. А для тех, кто знает все частицы Стандартной модели и все взаимодействия, тому она ничего не даст.
Популяризатор науки может Вам долго объяснять, что и как. Рисовать картинки. Но он не объяснит, что происходит на самом деле. И даже не объяснит, почему учёные думают, что происходит именно это.
Мне куда более интересны «Другие» (скажем так) взгляды на действительность. И даже заблуждения. А также история их возникновения, развития и состояния на сегодняшний день.
Например, после получения Нобелевской премии, лауретам предлагают прочитать лекцию. Тему можно выбрать любую. Желательно, конечно, чтобы была та, за что дали премию. Но не обязательно.
Алберт Эйнштейн в 1921 году получил нобелевскую премию за «За заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта». В своей нобелевской лекции он выбрал тему «Основные идеи и проблемы теории относительности». То есть не про фотоэффект.
Поль Дирак в 1933 году получил нобелевку за «За открытие новых продуктивных форм атомной теории» (включая уравнение релятивистского электрона). В своей нобелевской лекции в 1933г выбирает тему «Теория электронов и позитронов».
Другими словами, ученный выбирает тему лекции такую в которой он, по его мнению, внёс наибольший вклад в науку.
И вот….
Ханс Демельт получил нобелевскую премию в 1989 году за «За разработку метода удержания одиночных ионов». Лекция 1989года называется «Эксперименты с покоящейся изолированной субатомной частицей». Вот ссылка на русский перевод https://ufn.ru/ufn90/ufn90_12/Russian/r9012e.pdf.
В этой лекции Хемельт утверждает (дословно): «Следовательно, электрон может иметь размер и структуру!»!!!. Структуру! И даже размер! Это значит, что электрон из чего-то состоит. Как это согласуется со Стандартной моделью? Да никак!
Хемельт заблуждается? Возможно. Но, не он один такой. Есть и другие, которые пытаются обнаружить структуру электрона. Например: https://cyberleninka.ru/article/n/struktura-elektrona-i-teoriya-yanga-millsa. Или: https://www.techinsider.ru/science/15019-sfericheskaya-forma-elektrona-stavit-pod-vopros-sushchestvovanie-supersimmetrii/, https://arxiv.org/abs/1310.7534.
Популяризатор нужен на начальном этапе. Для того, чтобы получить знания придется читать учебник. Но если Вас интересует, как всё происходит «на самом деле» придется «включить мозги» и разбираться самому.
ceresian
16.09.2026 20:11Ну лично мне как дилетанту достаточно этих картинок.
Тупо как статика и динамика. Есть статическое представление объекта, есть тот же объект в динамике. В обоих случаях он один и тот же объект.
Но добавляя время теряется связь между статикой и динамикой. Если на секундочку остановить время сломается вселенная или нет? Потому, что всё замрет, и скорость станет нулем.
Похоже не ломается, потому как, то что я вижу из этой статьи - скорость прописывается в протоны, и после остановки времени движение будет считано прямо из частицы.
Цена работы такой системы - информация имеет вес и её добавление в виде кварков (словно детских счетных палочек) утяжеляет объекты.
Интересно, зная состав добавленых кварков можно узнать направление или это идет через другие структуры?
Ну и электрон в этой системе становится составным, ему тоже требуется нечто для счета скорости.
А фотон со скоростью-константой может быть неизменным, они меняются волной.
Ну и эффект замедления времени. Локальное простраснство не может быстро реагировать на большое количество знаков после запятой в исчислении массы, через инерцию и едва двигает их между собой.
Правильно ли это? Я не на столько физик. Но этого достаточно для описания физики безинерционной работы фантастического хроностоп движка.
Вот всё что я понял из этих картинок.
Z55
16.09.2026 20:11А из чего состоит кварк?
Tzimie Автор
16.09.2026 20:11Ни из чего, он в каком то смысле фундаментален
Z55
16.09.2026 20:11А как может "ничего" быть частью "чего-то"?
Tzimie Автор
16.09.2026 20:11Он фундаментален а не "ничто". Как аксиомы - вы можете спрашивать "почему", вам будут показывать вывод теорем. Пока вы не дороете до аксиом. Вот получается дорыли
Byaka8kaka
16.09.2026 20:11Напомню что атом переводится как неделимый и не просто так. Раньше считали что они и есть эти фундаментальные единицы.
Kupkupich
16.09.2026 20:11С партонной моделью всегда так, чем сильнее долбишь частицу в коллайдере, тем больше ошметков из вакуума высыпается обратно..
jorgvonfrundsberg
Интересный обзор!