Текст книги "Про эту вашу физику (СИ)"

Автор книги: Дмитрий Ганин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 9 страниц)

Значит, что получается: масса ядра составляет более 99.9 % массы атома. То есть электроны почти ничего не весят. В человеке весом около 68 кг масса всех его триллионов электронов составит всего 14 граммов.

Как только ученые открыли все эти орбиты и ядра, прогрессивная общественность сразу решила, что атом похож на Вселенную с ее солнечными системами. Мол, ядро – это Солнце, а электроны – это планеты, которые вращаются вокруг «солнца». Один японец даже попытался рассчитать, как это должно было бы выглядеть по аналогии с кольцами Сатурна. Мир был так иллюзорно близок к счастью понимания фундаментальных законов. Всё казалось логичным и таким глубоко философским: малое в большом, большое в малом. Но нет: Природа тот еще толстый тролль и, кажется, неисчерпаемый в своих коварных шутках.

Во-первых, электроны в отличие от планет вращались вокруг ядра не из-за гравитационных сил (а вследствие другого вида взаимодействия – электромагнитного). Во-вторых, электроны почему-то не теряли энергию и не падали на ядро. В-третьих, как потом оказалось, электроны и не частицы вовсе, а неведомое квантовое не-пойми-что.

В общем, планетарная модель атома провалилась. Но до сих пор, спустя более чем сто лет, находятся отнюдь не домохозяйки, задающие осточертевший всем физикам вопрос, а что если атомы это маленькие вселенные? Если вы видите в статье, которая рассказывает о гармонии мироздания и материальности мысли, фразу, мол, атом – это копия или проекция солнечной системы, бегите оттуда! Ну или нагадьте в комментах, чтобы испортить настроение мракобесам.

Когда художники вот так рисуют атом, то они заблуждаются в размерах более чем полностью. И не только в размерах.

Теперь мы немного расскажем про электрон (о нем мы заделали отдельную крутую лекцию).

На сегодняшний день нам думается, что электрон – неделимая частица. Всё! – разломать его не на что! Поэтому электрон относят к так называемым лептонам. Это такой класс неделимых частиц, в него кроме электрона входят еще нейтрино и мюоны – последние вообще не стабильны, живут миллионные доли секунды и, бес его знает, зачем они вообще нужны этой Вселенной.

Электрон имеет отрицательный заряд, очень маленькую по сравнению с атомом массу, и, самое главное, количество электронов в атоме определяет химические свойства вещества. И да, он ответственен за существование электрического тока.

Как мы уже сказали, поначалу казалось логичным, что электроны в атоме летают по разным орбитам, удаленным от ядра на разные расстояния.

И все было бы прекрасно, если бы в начале XX века некоторые особо упорные физики, которым не нравилась пара несущественных проблем, связанных с классической картиной устройства атома, не решили докопаться до сущности этих проблем. И они дооткрывались до того, что все стало еще хуже. Собственно, так появилась квантовая физика.

Электрон «летает» строго по определенным траекториям (правильно сказать, по орбиталям – особым областям пространства вокруг ядра). И переходит с одной орбитали на другую при помощи телепортации. Электрон, переходя на другой уровень, теряет или поглощает квант энергии, на меньшее расстояние он переместиться не способен, так как квант – неделимый «кусочек» затраченной энергии. То есть, представьте, летает спутник вокруг нашей планеты на высоте 36 тысяч километров. Потом, бах, и он уже на высоте 38 тысяч километров без всякого видимого перемещения. Такого в нашем «большом» мире быть не может, а в мире квантовых явлений – запросто. Мы еще вернемся к этим интригующим явлениям.

Во-вторых, выяснилось, что электрон даже и не частица, а волна. И вообще он не летает вокруг ядра, а находится в каждой точке орбитали одновременно, если его специальным образом не ловить. В теории он скорее похож на облачко вокруг ядра атома с формой этой самой орбитали. И как только начинаешь опытным путем выяснять, где он находится, то он внезапно из волны превращается в частицу, типа, вот он я.

Если опять проводить грубую аналогию, то представьте, что враги запустили спутник-шпион, и вы никакими расчетами не можете обнаружить, над какой точкой планеты он сейчас летает. Вернее, вы считаете по классическим формулам, но они дают ошибочные координаты: в расчетных местах спутника почему-то нет. А какой-то сумасшедший гений показывает вам безумные формулы и говорит, что на самом деле спутник находится в каждой точке на орбите. Однако только по этим специальным формулам можно рассчитать места, где спутник окажется с наибольшей вероятностью (большего не просите), и пальнуть туда из пушки. Глупость какая-то, скажете вы. В нашем мире – да, а в квантовом – обычное дело.

Но мы увлеклись квантовыми парадоксами, речь о которых предстоит в будущих лекциях.

Кстати еще пару слов о лептонах: мюонах и нейтрино. Спорим, вы не слышали о том, до какого кощунства додумались ученые? Они научились создавать мюонные атомы и даже молекулы, благо Природа, кажется, это не запрещает. В мюонных атомах электроны замещены мюонами, которые тяжелее в 200 раз и «летают» ближе к ядру. И хоть такие атомы долго не живут, удается исследовать их химические свойства и на пару шагов приблизиться к апокалипсису.

Что касается нейтрино, то долгое время все думали, что оно не имеет массы и это было немного странно, но затем открыли нейтринные осцилляции – это когда частицы нейтрино во время своих путешествий превращаются из одного вида в другой – такое возможно только при наличии массы. Так что все в итоге встало на свои места. Нейтрино почти не взаимодействует с веществом, поэтому пролетает насквозь не только стены, но и планеты, и звезды – представьте себе, насколько трудно было его вообще обнаружить.

С одной разновидностью нейтрино в 2012 году произошла поучительная история. В известной лаборатории по итогам экспериментов вычислили, что скорость частиц превышает скорость света. Новость преждевременно прокатилась по мировым СМИ. А потом оказалось, что вилка была плохо вставлена в розетку. В общем, если вы обнаружили нарушение законов Ньютона, Эйнштейна или Бора, если вы видите привидение или как что-то мироточит, то не спешите с откровением, а обязательно проверьте розетку и другие объективные причины чуда.

Давайте оставим лептоны на время «в покое» и вернемся к материи. У нас еще ядро атома не разобрано.

Если присмотреться к ядру атома пристальнее, этим занимается у нас ядерная физика, то мы увидим, что ядро состоит из двух типов крошечных деталек. Протонов и нейтронов. Обе частицы довольно тяжелые, но нейтрон чуть-чуть тяжелее.

Протон имеет положительный заряд и вместе с отрицательным зарядом электрона делает атом электрически нейтральным. Если же электронов в атоме меньше, чем положено, или даже больше, то атом приобретает заряд, и его все называют ионом. Мы недавно купили в магазине по акции шампунь с натуральными ионами, которые укрепляют волосы и придают им металлический блеск – видите, как можно бессовестно вставлять в рекламу умные слова. Эх, и ведь за это им деньги платят.

Нейтрон не имеет заряда и вне ядра атома живет очень недолго, примерно, минут десять, а потом ломается: разваливается на протон, электрон и нейтрино. При этом ошибочно считать, что нейтрон состоит из этих частей. Он просто на них разваливается! Но, что важно, не нарушая законы сохранения энергии.

Путаницы добавляет факт, что количество протонов в ядре совсем не обязательно равно количеству нейтронов. Вот, например, из-за этого беспорядка у нас имеется несколько видов водорода. А из них получаются разные виды воды: обычная, тяжелая и сверхтяжелая.

Вообще, если хорошенечко разогнать протон и столкнуть его с другим протоном, то столкнувшиеся частицы разобьются на кучу разных частиц, которые живут, как правило, миллионные доли секунды, а то и меньше. Причем виды частиц, на которые развалится протон, зависят от энергии столкновения. А осколки в свою очередь через некоторое время еще на что-нибудь развалятся. Всяких разных частиц на сегодняшний день открыто более 350 штук. Названия у них одно непонятнее другого, например: мезоны, пионы, каоны, позитроны, мюоны, тау-лептоны, а также античастицы с таким же названием, но приставкой «анти» и т. д.

Античастицы имеют ту же массу, что и обычные частицы (и тот же спин – не спрашивайте пока, что это такое), но другие противоположные характеристики, вроде заряда или квантовых чисел).

Собственно, в этих ваших коллайдерах занимаются краш-тестами частиц. Разгоняют протоны и сталкивают, а потом смотрят следы, которые оставили осколки. По этим следам (длина пути, траектория следа, углы отклонения и т. п.) вычисляют массу частиц, их заряд и прочие данные. Хотим напомнить жуткую правду от конспирологов, что на самом деле в коллайдерах делают черную дыру, которая уничтожит Землю и освободит место для планеты Нибиру – наши остроумные комментарии к этому вы прочитаете в специальной главе про ускорители частиц.

Вот так выглядят следы частиц в специальных устройствах для их наблюдения:

Как мы уже сказали выше, тот факт, что протоны и нейтроны разваливаются на кусочки еще на значит, что они из них состоят.

Долго время считалось, что протоны и нейтроны – это цельные частицы. Но в 70-х годах ученые повторили опыт, чем-то похожий на опыт Резерфорда, но вместо атома были протоны, а вместо альфа-частиц были электроны. То есть стреляли электронами по протонам – чего только не придумают затейники, да?

И выяснилось, что рассеивание электронов на протонах и нейтронах немного не такое, как ожидалось. Это и ряд некоторых других трудно объяснимых явлений дало повод ученым заявить, что ядерные частицы состоят из чего-то еще.

Этому «чему-то еще» дали название «кварки». Поясню еще раз: никто этих кварков пока не видел (они, гады, совсем мелкие, с физически ненаблюдаемыми размерами) и никто этих кварков пока не щупал, но косвенные эксперименты, а самое главное, расчеты, показывают, что протоны и нейтроны состоят из кварков. Причем каждая частица состоит сразу из двух-трех кварков, которые взаимосвязаны между собой и соответственно существуют только группами. Кварк не может свободно гулять вне частицы – во всяком случае одинокий кварк в природе еще не встречался. Из кварков состоят и другие частицы материи (кроме лептонов). Всего ученые открыли или, можно сказать, навычисляли, шесть видов кварков, соотнесенные с тремя поколениями. Хитроумных названий этим кваркам придумать не смогли, поэтому кто-то прикололся и назвал кварки вот так:

Справедливости ради, странному кварку дали такую кличку потому, что частица, в которой его обнаружили, не распадалась «слишком долго». И это, видите ли, было странно.

Обратите внимание, что у кварков дробный заряд. Его также пришлось ввести, чтобы объяснить, как из кварков получается положительно заряженная частица протон или нейтральный нейтрон.

Так что, все составные частицы в нашем мире – это комбинации кварков. Можно спросить, но почему физики-теоретики, не видя этих кварков, считают их реальными фундаментальными частицами?

Во-первых, если предположить, что кварки существуют, то все множество частиц хорошо классифицируется и укладывается в так называемую Стандартную модель. А это научненько!

Во-вторых, на основе кварков можно предсказать, какие частицы еще не открыты. И действительно, ожидаемые частицы рано или поздно находятся, причем с ожидаемыми параметрами.

В-третьих, экспериментально удавалось вырвать кварк из протона, но получился, конечно же, не сам кварк, а некий очень интересный эффект, предсказанный теорией кварков и названный адронной струей: из кварков тут же образуются новые частицы и летят в ту же сторону, что и выбитые кварки.

Между прочим, физики предсказывали существование частиц, сколоченных аж из пяти кварков – так называемых пентакварков. Конец немного предсказуем: их действительно обнаружили в экспериментах на коллайдере. Пентакварк состоит из двух верхних кварков, одного нижнего кварка, и пары из очарованных кварка и антикварка. Что это за зверь такой, еще предстоит выяснить.

Причин считать кварки реальными гораздо больше, но они громоздки для нашего праздного объяснения, поэтому сделаем вид, что все нормально. Самым главным аргументом, которым всегда руководствуется наука, является то, что на сегодняшний день нечем объяснить строение материи как-то иначе. Конечно, есть гипотеза тонкого эфира, однако ее без галоперидола не разобрать – в этом мнении схожи и физики, и психиатры.

На картинке: схемы некоторых частиц, сложенных из кварков. Кварк с черточкой – это антикварк.

Пару слов об антиматерии.

С одной стороны, она менее загадочна, нежели ее представляют в своих нетленках фантасты и графоманы. Это те же самые частицы, но с противоположным зарядом (или противоположными другими характеристиками). Электрон – позитрон. Протон-антипротон. Кварк-антикварк. И так далее. При соединении материи и антиматерии – вещество аннигилирует, превращаясь в чистую энергию, то есть в фотоны, что в общем-то, можно было бы использовать как разрушительное оружие. Но антивещество чертовски трудно добывать, и совершенно точно не в промышленных масштабах.

Довольно забавен факт, что антиэлеткрон открыл Поль Дирак в 1927, когда рисовал формулы для электрона. Самая лучшая формула, описывающая электрон, содержала в себе его злого двойника. Дираку это не понравилось, в итоге он психанул и сказал, что умывает руки – вот расчеты, делайте с ними что хотите. И заметьте, что эти ученые могут открывать новые частицы без коллайдеров, с помощью карандаша и бумаги, без грантов и субсидий, которые, как известно каждому диванному профессионалу, тратятся на распил или несуществующие фонды!

Короче, через пять лет физики обнаружили антиэлектрон в реальном мире и назвали его позитроном.

С другой стороны, у антиматерии есть мерзкий секретик, от которого портится настроение у любого астрофизика или у каждого интересующегося мирозданием естествознателя. Это коварный вопрос: где антиматерия? То есть вот у нас в телескопы и микроскопы видна обычная материя везде и всюду во вселенной, а где же антивещество? Если оно аннигилировало, почему вселенная все еще существует и тогда опять вопрос, почему обычной материи больше? Это проблема, требующая очень серьезных объяснений. Может, кто-нибудь из наших читателей впечатлится прочитанным, подумает над прочитанным и догадается, как это все происходит, после чего пойдет и объяснит всем этим надмозгам из калтехов, стенфордов, МТИ и прочих логовищ бездуховности, в чем секрет асимметрии вещества. Удачи, товарищи!

Ну и наконец, предел физики материи.

Стандартная модель, которая рассказывает нам о мире частиц, все равно имеет множество темных мест, которые не объяснишь тем, что кварки и лептоны это окончательная форма материи, элементарнее и фундаментальнее которой ничего нет.

Поэтому физики с наиболее развитой фантазией пытаются предугадать еще более мелкие частички материи. Именно что предугадать и математически рассчитать их поведение. Микроскопы тут бессильны.

На сегодняшний день есть пара-тройка перспективных теорий, которые делят материю дальше. Самая известная из них – это теория струн (и ее развитие в теории суперструн и М-теории). Некоторые чудеса материи неплохо объясняются, если представить, что все, что нас окружает, на самом микроскопическом уровне представляет собой наборы одномерных струн, которые колеблются в девятимерном пространстве. И частота колебания такой струны (звук, по-нашему) и определяет свойства каждой фундаментальной частицы – кварка или лептона. Звучит, конечно, очень божественно и немного креационистски. Представьте великую вселенскую скрипку – она сыграла ноту «Ля», и в мире появились электроны, дёрнула «До» – сыпятся протоны, или, например, зазвенела «Си-бемоль» – и вселенная обогатилась нейтрино. Профессор Толкин, по-видимому, кое-что знал со своим Илуватаром и музыкой айнур, да-да.

Доказать наличие струн на сегодняшний день невозможно, да и теоретические расчеты настолько сложны (все-таки девятимерные пространства, включая время), что безумное количество математики осилит не каждый мегамозг. В теории суперструн количество измерений доведено до 11, а в М-теории предполагается, что колеблется не струна, а двухмерная пленочка (брана, как ее называют физики-теоретики). Струны изображают вот так:

На этом краткий экскурс в атомную материю у нас заканчивается. Можете бить нас за неточность изложения и обещать открыть глаза на правильную физику. Мы с интересом следим за дискуссией, которая не затихает на просторах сетевых площадок. Пишите в интернетах, и мы вас сами найдем!

Наверное, дотошные читатели заметили, что тема названа «Часть 1». Дело в том, что, разглядывая материю, мы рассмотрели только ту ее часть, которая, скажем так, вещественна. А есть еще одна форма материи, которую пощупать нельзя. Это то, что мы называем полем или энергией (да-да, те самые фотоны, гравитоны и бозоны Хиггса). Об этом мы расскажем во второй части.

Глава 7

Материя. Поля

Весь мир – эфир, а ты в нем Майкельсон

Эту главу мы начинали писать много раз. Потом перечитывали и удаляли все к чертям. Потому что перед нами стояла задача впихнуть невпихуемое. То, что обычно называется кратким изложением в двенадцати томах, нам предстояло рассказать в трех словах с картинками. Полистав любимые мануалы по ядерной физике, всплакнув над недочитанными лекциями Фейнмана, мы взяли себя в руки, плеснули себе для храбрости из бара, и написали финальный вариант.

Рассказывать популярно о таком виде материи как поле – занятие практически бестолковое, потому что визуализировать оное или художественно его описать практически нереально. В нашем повседневном опыте поле нельзя потрогать, да и ощутить можно только косвенно, ничего при этом не понимая. Поэтому физики делают упор на много-много математики.

Тем не менее мы попытаемся немного осветить достижения нынешней науки в этой области ужасными аналогиями и примерами, из-за которых большинство физиков (и химиков!) уйдут в леса и пустыни жить отшельниками. Мы заранее просим у них прощения.

В классической физике полем называли что-то такое воздушное и невидимое, разлитое по пространству, в которое объект попадал и внезапно испытывал влияние «неведомых» сил. Например, если камень начинает падать с ускорением на землю, то он, видите ли, находится в гравитационном поле. А если железный шарик двигается к магниту, то он всего-навсего плавает в магнитном поле. Короче, поле – это что-то волшебное. Недаром в фантастической литературе сплошь и рядом встречаются защитные и магические поля для спасения сюжета.

Но в наши благословенные дни ученые решили от термина «поле» отказаться. Это понятие в свете квантмехов устарело, и нынче им пользуются физики в случаях, когда надо упростить суть явления (ну типа как мы говорим, «дай мне вон ту фигню» вместо «принеси, пожалуйста, степлер»). Еще слово «поле» говорят электрики, чтобы выглядеть солидно, им как-то сразу начинаешь больше доверять.

Вместо всего вот этого теперь используют словечко «взаимодействие». И оно содержит принципиально иной подход: разгадка в том, что вещественная материя может взаимодействовать между собой другой формой материи. И не только может, а постоянно это делает.

Поначалу все думали, что взаимодействие распространяется волнами, по поводу чего поспешили нарисовать всякие формулы волн и полей собранных из них, но потом Планк, как вы уже знаете, рассчитал, что поле можно измерять кусочками-квантами, Эйнштейн подтвердил, и вообще оказалось, что это не волны, а иногда совсем даже частицы. Для удобства ученые решили считать явление одновременно и частицей и волной, а чтобы никто не смеялся, они назвали явление по-умному – корпускулярно-волновым дуализмом.

Позже Фейнман с единомышленниками задвинули собственную версию происходящего, в которой взаимодействие (да и всё вещество микромира) – особая форма материи, которая не частица и не волна, но имеет свойства и того и другого. Собственно, с Фейнмана и началось отношение к полям как к видам взаимодействия.

О бытовых тонкостях дуализма мы расскажем в лекциях по квантовой физике. А сейчас вернемся в наши поля. На сегодняшний день физики обнаружили пять натуральных видов взаимодействий.

И начнем мы с первого вида взаимодействия – электромагнитного.

1

Изначально было две магии – магнитная и электрическая. Затем Максвелл поэкспериментировал с той и другой и объявил, что вообще-то это одно и то же; просто в разных условиях и ситуациях мы наблюдаем, то магнитный, то электрический эффект. Там еще потом и теория относительности затесалась, объясняющая, откуда берется поле у движущихся зарядов. Делов-то было, всего лишь ограничить скорость вещества во Вселенной. Но легче от этого открытия не стало.

Что же такое электромагнетизм? В самом простом случае, который нас собственно и интересует, это такое явление, при котором противоположно заряженные частицы притягиваются, а частицы с одинаковым зарядом отталкиваются. То есть электрон избегает другого электрона, но тянется к протону именно из-за электромагнитного взаимодействия.

Важная ремарка: ни мы и никто другой не знает, что такое заряд на самом деле. Мы наблюдаем заряды в виде взаимодействия заряженных частиц, но природа заряда науке пока не известна. Впрочем, если открыть интернет, то там найдутся те, кому всё понятно, у кого очевидными причинами заряда являются торсионные вихри, тороидальные сущности, эфирные осцилляции по вектору «взад-вперед» и так далее. Надеемся, вы уже понимаете, в какую сторону нужно разворачивать диван, встречая подобные открытия!

Но каким образом заряды притягиваются или отталкиваются? Оказывается, что между двумя частицами, находящимися на определенном расстоянии друг от друга, происходит что-то вроде обмена кое-чем материальным, а не эфирным. И в случае с электромагнитными силами обмен этот производится частицей-переносчиком, которая известна под именем «фотон».

Да-да, квант электромагнитного поля, частица электромагнитного взаимодействия – это старый добрый фотон, который летит с максимально возможной в этой Вселенной скоростью и излучается из каждой лампочки и звезды.

Чтобы представить, как именно происходит электромагнитное взаимодействие, возьмем игроков в бадминтон. Хорошая игра, расслабляет, нервничать не надо, движение какое-никакое. Профилактика геморроя опять же. Представьте, что вы (здоровый мужик) играете в бадминтон с таким же здоровяком. Пол у вас одинаковый (как заряд у двух электронов), и вы друг другу не очень симпатичны. Ваш воланчик – это фотон, который вы отбиваете ракетками. Чем ближе вы подбираетесь друг к другу, тем сильнее вы отбиваете воланчик, желая победить соперника, поэтому вам приходиться отступать, чтобы не проиграть партию. Две частицы с одинаковым зарядом, обмениваясь фотоном, расходятся подальше друг от друга, улавливаете?

А теперь наоборот! Если вы все тот же здоровый мужик, но играете в бадминтон с очаровательной дамой (две частицы с противоположными зарядами – электрон и протон), то, играя в бадминтон, вы слабее бьете по волану и непринужденно приближаетесь друг к другу, мечтая оказаться в интимной, так сказать, обстановке. Но вплотную, тем не менее, не подходите, потому что ракеткой можно получить по зубам – это больно, поверьте.

Фотоны, которые рождаются для взаимодействия между двумя заряженными частицами, называются «виртуальными». Грубо говоря, при обмене квантами поля немного нарушаются законы сохранения энергии, но экспериментально поймать фотон с поличным нельзя. Если мы вздумаем устроить виртуальной частице засаду, то она, взаимодействуя с приборами, превратится в обычную, и ничего противозаконного мы не обнаружим. Всё-таки там, на невероятно малых расстояниях, творится настоящая магия, отблески которой мы наблюдаем и ничего не понимаем.

Электромагнитное излучение существует не только при встрече частиц. Фотоны рождаются при распаде или столкновении массивных частиц (этим занимаются в коллайдерах) или во время ядерных реакций – вот почему опасна радиация: бодрые фотоны при распаде ядра вылетают наружу и разрушают ваши клетки как карточный домик. Когда говорят, что во время ядерной реакции выделилось некоторое количество энергии, вот эта «энергия» и есть фотоны – частицы электромагнитного взаимодействия.

Увы, не все в XXI веке знают, что фотон – это не только видимый свет, но он еще и радиоволны, ультрафиолет, а также – смертельное радиоактивное излучение (гамма-излучение). Клянемся лысиной Планка, что встречали людей, рассказывающих, что радиоволны и солнечный свет – это разные сущности ментальных планов тонких вселенных. Sic!

Однако вся разница в этих, казалось бы, настолько отличающихся физических явлениях лишь в длине волны (частоте) фотона. Если длина волны фотона БОЛЬШАЯ (то есть волна длинная), то у нас – радиоволна, если фотон колеблется чуть энергичнее (и соответственно длина волны меньше), то мы его видим в качестве света и его радужных цветов. Цвета – это всего лишь восприятие нашим глазом разных длин волн фотонов, причем очень ограниченное восприятие.

Если же длина волны фотона очень маленькая, а значит велика его частота и собственно энергия, то такой резвый фотончик запросто просветит вас насквозь (рентгеновские лучи – это тоже фотоны, ага).

Почему, например, светит Солнце? Не вдаваясь в подробности: от огромной температуры на Солнце ядра водорода посредством сложной термоядерной реакции объединяются в ядра гелия. Эта реакция сопровождается потерей энергии, часть которой в виде солнечного света мы и видим каждый день.

Мало кто знает, но сейчас вокруг нас столько устройств, использующих электромагнитное излучение, что возникает проблема электромагнитной совместимости, когда, например, ваш умный холодильник может мешать wi-fi или bluetooth-передаче. Фотоны – вокруг нас, и даже если бы вы сломали всю технику, то они все равно прилетают и будут прилетать к нам из космоса – спасения от электромагнитных волн нет. Впрочем, любителей шапочек из фольги это никогда не останавливало.

Искренне надеемся, что после вышесказанного мир стал чуть более понятен. Но на этом чудеса материи не заканчиваются.

2

Пытливые умы, читающие наши россказни очень внимательно, могут спросить: позвольте, если частицы с одинаковым зарядом отталкиваются, то почему же положительно заряженные протоны в ядре не разлетаются к чертям, и в мире не наступает конец света?

На самом деле это чертовски хороший вопрос, и ученые в прошлом веке им серьезно озадачились. Им нечего не оставалось, как предположить, что в ядрах существуют некие силы, которые удерживают протоны вместе вопреки электромагнитному отталкиванию. Догадка была озвучена еще в 1930-х годах, но только к 1970-м годам гипотеза превратилась в хорошую проверенную теорию.

Ученые оказались правы. Такие частицы как протоны состоят из кварков, и между кварками на очень близком расстоянии возникает второй вид фундаментального взаимодействия, названный сильным.

В ядре атома гелия электрическая сила отталкивания между двумя протонами составляет 22.5 килограмма, но ее запросто «побивает» иной тип взаимодействия. Теперь понятно, почему сильное взаимодействие называется сильным (название, кстати, не слишком удачное, особенно в русском языке, в иноземном языке используют слово strong).

Сильное взаимодействие примерно в тысячу раз сильнее электромагнитного. Так как же протоны преодолевают отталкивание?

Дело в том, что взаимодействие, как уже сказано, происходит не между самими протонами, а между их составляющими – кварками. Это кварки постоянно и очень активно обмениваются частичками-волнами (квантовая физика, увы), называемыми глюонами (от английского слова «клей», между прочим). Обмен глюонами происходит не только между своими кварками в протоне, но и с кварками соседнего протона. Дружба семьями, понимаете ли, не разлей вода! И кстати, чем дальше вы пытаетесь «раздвинуть» кварки, тем сильнее становится взаимодействие (внимание, умное слово – «конфайнмент»). В какой-то момент энергия, которую вы прилагаете для разрыва кварков, станет настолько большой, что природа прекратит издевательство и создаст из накачанных энергией глюонов новую пару «кварк-антикварк», в итоге рождается новая частица, какой-нибудь мезон, а там уже электромагнитные силы перехватывают эстафету. Умно! На сегодняшний день ученые не очень хорошо понимают, как это работает: эксперименты и еще раз эксперименты. Но ничего – то ли еще будет.

Раздел физики с жутким названием «квантовая хромодинамика» насчитывает восемь типов глюонов, в то время как трудяга фотон – один на все случаи жизни. А всё потому, что кварков много, и одного типа глюона на них всех маловато, физики таким образом могут рассуждать о восьми видах глюонных (цветных) полей – как вам такой поворот?

Глюоны как и фотоны не имеют массы, а их существование было впервые подтверждено на коллайдерах в конце 70-х годов прошлого века. Это был успех! А физика микромира становилась все безумнее и безумнее.

3

Что ж, казалось бы, все проблемы физики ядра решены. Ага, щас! Ученые внимательно изучали распад некоторых частиц и заметили, что там в результате не хватает каких-то мельчайших миллиардных долей энергии. Святые угодники, у нашего бухгалтера миллионы в балансе не сходится, и она одной правой выравнивает перекос, рисуя пару нулей. А тут несущественная разница: подумаешь, электрон вылетает не с той скоростью. Но ученые на то и ученые. Видите ли, известный всем нейтрон порой ни с того ни сего разваливается на протон, электрон и нейтрино. Причем, как мы знаем из предыдущей лекции, он не состоит из этих запчастей – упомянутые частицы возникают в процессе распада. Если сильное взаимодействие удерживает кварки внутри частицы так, что глюонное поле не порвать, какого лешего происходит?

Ответственным за причины этой трагедии назначили новый вид взаимодействия, который, конечно же, назвали еще оригинальнее: слабым взаимодействием. Описать его механизм задачка не из легких, поэтому мы, как обычно, пропустим матчасть. Скажем лишь, что там та еще мелодрама с кварками и лептонами, в результате которой частицы превращаются в другие частицы, отчего дружная семейка ссорится и разъезжается подальше друг от друга. Всё это происходит на расстояниях еще более коротких, чем при сильном взаимодействии. А за перенос взаимодействия ответственны три частицы-переносчика, название которым не придумали, и среди ученых они известны как векторные бозоны (с положительным зарядом W+, с отрицательным зарядом W– и без заряда Z0). Вон там наш художник нарисовал картинку для тех, кто любит мыльные оперы.