Текст книги "Вселенная внутри вас"

Очарование кварков

Тело человека состоит из молекул, а молекулы – из атомов, каждый из которых содержит протоны, нейтроны и электроны. Однако теперь мы знаем, что прежние представления о протонах и электронах как фундаментальных единицах атома тоже неверны. Протоны и нейтроны состоят из действительно фундаментальных частиц, которые называются кварками. Существует несколько типов кварков, которые отличаются друг от друга ароматом (я не шучу). Выделяют такие ароматы, как очарованный, странный, верхний и нижний, но нас в первую очередь будут интересовать верхний и нижний. Протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварка, а нейтрон – из двух нижних и одного верхнего.

От этой разницы зависит электрический потенциал протона и нейтрона, так как заряд нижнего кварка составляет ‑1/3, а верхнего – +2/3. В результате положительный электрический заряд протона равен 1, а нейтрон электрически нейтрален. Конечно, неправильно, что заряд частицы представляет собой дробную величину. На самом деле заряд кварка вовсе не 1/3 и не 2/3. Эти величины следует понимать как исходные единицы электрических зарядов. Однако поскольку протоны и электроны были известны еще до открытия кварков и им присвоили заряды, равные единице, нам приходится соглашаться на то, что заряды могут быть и дробными.

Название «кварк» было введено в научный оборот американским физиком М. Гелл-Маном. Первоначально он произносил его как «кворк», но как-то раз наткнулся на одну строку из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для мистера Марка!» То, что кварков было именно три, показалось Гелл-Ману символичным, и он стал произносить это слово по-новому.

Запутанная стандартная модель

Дойдя до кварков, мы наконец действительно достигли предела неделимости. Именно из этих фундаментальных частиц состоит тело человека и вся Вселенная.

Физики создали так называемую стандартную модель, которая описывает весь мир, основываясь примерно на девятнадцати различных элементарных частицах. Двенадцать из них – это частицы, составляющие материю. Это кварки, электроны, а также еще несколько загадочных частиц, которые образуются в ядерных реакциях и экспериментах на коллайдере. Еще пять частиц предназначены для передачи различных сил. Так, например, фотон, будучи частицей света, одновременно является носителем электромагнитных сил.

Строение атома. При соблюдении масштаба для показанного размера ядра весь атом был бы около десяти километров в поперечнике.

Выделяют еще пару частиц, которые, может быть, существуют, а может быть, и нет. Это гравитон, который, как предполагается, должен быть носителем гравитации, если она также передается в квантовой форме (что пока еще не находит полного теоретического подтверждения), и бозон Хиггса – главная цель экспериментов на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Эта неуловимая частица предположительно придает массу всем остальным элементарным частицам.

Чтобы еще больше усложнить картину, добавим, что каждой частице соответствует античастица. Когда мы говорим об антиматерии, в памяти первым делом всплывает фантастический сериал «Звездный путь» (на антиматерии работали двигатели корабля «Энтерпрайз»). Тем не менее антиматерия так же реальна, как и материя, но обладает некоторыми противоположными свойствами, в частности электрическим зарядом. У каждой из двенадцати частиц материи есть эквивалентная частица антиматерии. Так, например, электрону соответствует антиэлектрон, более известный как позитрон, который имеет не отрицательный, а положительный заряд.

При соприкосновении материи и антиматерии они взаимно уничтожаются (аннигилируют), а их масса полностью трансформируется в энергию. Поскольку количество энергии в материи определяется знаменитым уравнением Эйнштейна Е = mc², где с означает скорость света (очень большую величину), то при аннигиляции выделяется колоссальная энергия. Килограмм антиматерии, аннигилируя с эквивалентным количеством материи, производит столько же энергии, сколько обычная электростанция может выработать на протяжении двенадцати лет. Правда, в зависимости от того, какой тип антиматерии участвует в этом процессе, могут также образовываться вторичные частицы (нейтрино), которые снижают количество энергии вдвое, но этого тоже немало. Антиматерия является самым компактным источником энергии. В ней содержится в тысячу раз больше энергии, чем в ядерном топливе.

Хотя эти элементарные частицы достаточно хорошо позволяют объяснить все процессы, происходящие в материальном мире, картина получается слишком сложной и запутанной. Поэтому ученые стремятся создать более простую модель для интерпретации основ реальности. Уже многие годы физики работают над различными альтернативными теориями, но ни одна из них пока не может быть признана удовлетворительной.

Твердое тело, жидкость или газ?

Теперь давайте отвлечемся от теоретических размышлений и, глядя на ваш волос, задумаемся об одной интересной проблеме. В школе вас учили, что все вещества могут находиться в одном из трех состояний – твердом, жидком или газообразном. Поскольку очевидно, что волос не жидкий и не газообразный, следовательно, он твердый. Однако его гибкость и пластичность как-то не очень согласуются с понятием твердости. Говоря о твердом веществе, мы представляем себе что-то прочное и стойкое. Можно привести еще один пример, не слишком согласующийся с этой упрощенной классификацией. Нет никаких сомнений в том, что песок состоит из твердых частиц, но он протекает сквозь пальцы, словно жидкость.

Лучше всего разбираться с агрегатными состояниями материи на примере одного из немногих веществ, которые известны нам и в твердом, и в жидком, и в газообразном состоянии. Это вода. Она позволит понять, в чем состоит разница между тремя состояниями материи. Как правило, при переходе из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное атомы отдаляются друг от друга и начинают двигаться быстрее. Все атомы и молекулы находятся в движении, но в твердом теле они колеблются в рамках жесткой структуры, благодаря электромагнитным связям между молекулами. В жидкости структура отсутствует. Определенная связь между молекулами сохраняется, но она уже не такая прочная. В газе молекулы движутся независимо друг от друга.

Казалось бы, этот процесс может происходить бесступенчато, и четких границ между состояниями вещества быть не должно, однако на деле они существуют. Конечно, отдельные молекулы воды, находящейся в жидком состоянии, постоянно переходят в газообразную форму (испарение), но для того, чтобы превратить всю воду в газ, необходимо нагреть ее до определенной температуры – точки кипения, а затем постоянно подогревать, чтобы окончательно разрушить все связи и высвободить молекулы.

Четвертое состояние материи

Наука, которую нам преподают в школе, похоже, находится где-то на уровне викторианской эпохи, когда были известны только три состояния вещества, однако на самом деле их пять. С четвертым состоянием вещества вы сталкиваетесь на каждом шагу. Оно даже более очевидно, чем газообразное, но поскольку школьное образование ограничено мировоззрением XIX века, даже многие взрослые не знают о его существовании, хотя много раз слышали это слово применительно к большим телевизионным экранам. Речь идет о плазме.

Необходимо заранее дать одно пояснение, чтобы устранить возможную путаницу (особенно если учесть, что главным предметом рассмотрения в нашей книге является человеческое тело). Плазма, которую мы в данном случае обсуждаем, не имеет ничего общего с плазмой крови. Плазма крови – это бесцветная жидкость, в которой плавают кровяные тельца. Плазма в физическом смысле – это четвертое состояние материи, следующее после газообразного. (Вообще-то, и в том и в другом случае данный термин выбран не слишком удачно, потому что первоначально в переводе с греческого это слово означало нечто «вылепленное», «оформленное», а мы в обоих случаях имеем дело скорее с бесформенными субстанциями.)

Чтобы убедиться в том, насколько плохо мы понимаем, что такое плазма, достаточно взглянуть в толковый словарь, который утверждает, что это «газ, содержащий ионы вместо атомов и молекул». Давайте пока отвлечемся от ионов и обратим внимание на расплывчатость и неопределенность толкования. Описывать плазму как газ – это то же самое, что назвать жидкость «очень плотным газом, обладающим текучими свойствами». Конечно, плазма больше похожа на газ, чем на жидкость, но все же это нечто совершенно иное – особое состояние материи.

Я уже упомянул о том, что плазма представляет собой более очевидное состояние вещества, чем газ, потому что ее можно увидеть невооруженным глазом. Солнце представляет собой гигантский шар, состоящий из плазмы. В любом пламени содержится плазма, хотя обычное пламя, с которым мы встречаемся в быту, – это все же смесь очень холодной плазмы и газов. Если газ – это состояние, в которое переходит жидкость при нагревании, то плазма – это состояние, в которое переходит газ при продолжении нагревания.

По мере того как газ становится все горячее и горячее, электроны в его атомах приобретают все больше энергии. В конце концов ее становится достаточно для того, чтобы электрон оторвался от атома и покинул его. У большинства атомов есть природное свойство либо терять, либо приобретать электроны. Одни атомы легко теряют электроны и за счет этого превращаются в положительно заряженные ионы. Другие легко заимствуют лишние электроны и превращаются в отрицательно заряженные ионы. Таким образом, ион – это атом, имеющий электрический заряд за счет того, что у него либо не хватает электронов, либо имеются лишние. Вещество, нагретое до такого состояния, что его атомы превращаются в ионы, называется плазмой.

Эксперимент с заварным кремом

Обычно считается, что переход вещества из одного состояния в другое зависит от температуры. Охладите воду – и получите лед. Нагрейте кусок металла – и он расплавится, станет жидким. Однако такой же эффект на некоторые материалы оказывает и давление. Тик-сотропные краски, не дающие подтеков, представляют собой вязкий гель, но при перемешивании переходят в жидкое состояние. Однако нагляднее и забавнее всего влияние давления на состояние вещества можно продемонстрировать на примере заварного крема.

Смешайте порошок для заварного крема «Custard» с водой. У вас получится густая желтая жидкость. Налейте ее в чашку. А теперь опустите в жидкость большой и указательный пальцы на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга и сожмите их. Под давлением пальцев жидкость превращается в сухой порошок. До тех пор пока давление сохраняется, он будет находиться в твердом состоянии. Вы можете даже вытащить его из чашки. Но как только давление ослабнет, он снова станет жидким и стечет с пальцев.

Если заполнить такой жидкостью бассейн, по ее поверхности можно будет даже ходить. Чтобы увидеть это воочию, зайдите на сайт www.universeinsideyou.com, выберите раздел Experiments и в нем видеофайл Walking on Custard

Плазма очень распространена во Вселенной. В конце концов, все звезды – это огромные сгустки плазмы. Предполагается, что 99 процентов материи в известной нам Вселенной находится в форме плазмы. Отчасти это объясняется тем, что она хорошо видна. Хотя по плотности плазма напоминает газ, она имеет большие отличия. Например, газы обычно являются хорошими электрическими изоляторами, а плазма – прекрасный проводник.

Переход в состояние конденсата

Пятое состояние вещества – это не заварной крем, но от этого оно не становится менее странным. В хорошие дни ученым приходят в голову удачные и приятные на слух термины, такие как «плазма», «фотон», «кварк». Но нередко бывает так, что они называют свое открытие словом, которое никто даже на трезвую голову не сможет быстро повторить пять раз подряд. Пятое состояние вещества носит название конденсата Бозе – Эйнштейна.

Это состояние соответствует самому нижнему концу температурной шкалы и расположено дальше всего от плазмы. Прежде чем мы вплотную займемся конденсатом, имеет смысл немного порассуждать о температуре. Что такое температура? В обыденном понимании это количество тепла. Чтобы что-то нагреть, надо добавить энергии. Но что при этом происходит? Атомы и молекулы вещества начинают двигаться быстрее. Даже в твердом теле атомы энергично колеблются. В жидкости это движение происходит еще более активно, а уж в газе они носятся как ракеты.

Измеряя с помощью термометра температуру своего тела (около 37 °С), вы измеряете среднюю энергию движения частиц, из которых состоите. Если вы сомневаетесь, что чем быстрее движется тело, тем выше его энергия, представьте себе, что в вас сначала попадает теннисный мяч, летящий со скоростью 5 километров в час, а затем – со скоростью 500 километров в час. В момент удара разница в энергии будет очень ощутимой.

Если вы до сих пор не знали, что температура – это движение атомов, то могли бы, пожалуй, представить себе, что тела можно охлаждать до бесконечности при наличии подходящего холодильника. На самом же деле для замедления движения атомов и молекул существует предел. Они в конце концов просто останавливаются. Такая температура называется абсолютным нулем. На практике ее достичь невозможно, потому что квантовые частицы не могут полностью остановиться.

Эта самая низкая температура составляет примерно ‑273,16 °С. Правда, ученые часто используют другую температурную шкалу, в которой градусы точно такие же, как в шкале Цельсия, но за нулевую отметку принимается абсолютный ноль. Это так называемая шкала Кельвина. 0 °С на ней будет соответствовать примерно 273 К. (Для педантов сообщим, что единицы шкалы Кельвина, в отличие от систем Цельсия и Фаренгейта, называются не градусами, а кельвинами. Таким образом, точка замерзания воды обозначается на ней как 273,16 К, а не 273,16 °К.)

Когда температура вещества подходит к абсолютному нулю, оно начинает вести себя очень необычно. Некоторые вещества превращаются в конденсаты (с технической точки зрения существуют две разновидности: конденсат Бозе – Эйнштейна и фермионный конденсат, но мы в такие дебри залазить не будем). Конденсат – это состояние материи, в котором частицы теряют свои индивидуальные черты. Отсюда возникают такие необычные свойства, как сверхтекучесть, при которой вещество не испытывает никакого внутреннего сопротивления при движении. Жидкость в состоянии сверхтекучести может пробраться через любую сколь угодно узкую щель, поскольку ее молекулы практически не колеблются и не создают трения. Если привести такую жидкость в сосуде в круговое движение, она будет вращаться бесконечно. Еще одним интересным свойством веществ в таком состоянии является сверхпроводимость, то есть полное отсутствие электрического сопротивления.

Но самое удивительное – это реакция веществ в состоянии конденсата Бозе – Эйнштейна на свет. Поскольку конденсат занимает промежуточное положение между обычной материей и самим светом, он может замедлять скорость света или вообще останавливать его. В связи с этим конденсат иногда называют «темным» состоянием. Этот навевающий таинственность термин очень хорошо подходит такому странному феномену.

Всё о материи

Итак, существуют пять состояний вещества. На самом верху располагается плазма, состоящая из ионов высокой энергии. Далее следует газ, жидкость и твердое вещество. Наконец, при предельно низкой температуре возникает конденсат Бозе – Эйнштейна. Казалось бы, это довольно заурядная и скучная тема, но вспомните, что мы пришли к ней, рассматривая один-единственный волос.

Внимательно присмотритесь к нему еще раз. Вы увидите в нем молекулы, состоящие из атомов. В каждом атоме есть состоящее из протонов и нейтронов (за исключением водорода, атом которого настолько мал, что его ядро представляет собой всего один протон) ядро, которое окружено электронным облаком. Каждая частица внутри ядра состоит из трех кварков. Из этих элементарных кирпичиков построено все ваше невообразимо сложное тело.

Вы – то, что вы едите

Но откуда же взялись все эти вещества? Где были эти атомы, прежде чем попасть в ваше тело? На протяжении веков они циркулировали по всей планете, вступая в самые разнообразные реакции. Например, тело человека содержит значительное количество углерода. Откуда он появился? Из употребляемых в пищу растений и животных, а в них он попал из других растений и животных. Если пройти по этой пищевой цепи до самого конца, то окажется, что источником всего углерода являются растения. А откуда они его взяли? Из воздуха.

Растения обладают удивительным свойством добывать для себя строительные материалы из воздуха. Мы привыкли считать углекислый газ чем-то вредным, поскольку он создает парниковый эффект, но учтите, что основное количество углерода, содержащегося в растениях, поступает к ним из атмосферной двуокиси углерода. Это так же верно, как и то, что растения производят кислород, благодаря которому мы можем дышать.

Итак, прежде, чем попасть в организм животных и растений, часть атомов находилась в воздухе, часть в земле и часть в воде. Давайте заглянем еще дальше. Часть атомов входила в состав тел людей, живших до нас. В человеческом организме содержится так много атомов (7 × 1027), что рано или поздно многие из них обязательно окажутся в других людях. В вашем теле есть атомы королей и королев, доблестных рыцарей и придворных шутов.

Некоторые утверждают, что при каждом вдохе в наши легкие попадают один-два атома, которыми дышала Мэрилин Монро. Да, атмосфера достаточно сильно перемешивается, и часть воздуха, который выдохнули другие люди, попадает к нам в легкие. Но атомы, побывавшие в груди у Мэрилин, вряд ли распространяются по земному шару с такой скоростью, чтобы попасть в организм абсолютно каждого человека. Кому-то они достанутся, а кому-то и нет. Однако через несколько сотен лет можно будет с уверенностью сказать, что молекулы Мэрилин присутствуют в теле каждого человека.

Атомы, которые старше Земли

Атомы, из которых состоит ваше тело, переходили из одного организма в другой с самого момента зарождения жизни, то есть более трех миллиардов лет. Древнейшим окаменелым остаткам живых существ примерно 3,2 миллиарда лет. Этот срок можно смело отодвинуть еще на несколько сотен миллионов лет назад, так как уже тогда на планете имелись все химические вещества, из которых зародилась жизнь. Но они не взялись ниоткуда. Земля как планета сформировалась 4,5 миллиарда лет назад (правда, из космоса до сих пор прибывает все новое вещество в виде метеоритов).

До этого все атомы в течение многих миллиардов лет плавали в космосе. Некоторые из них существуют с момента рождения Вселенной. Все атомы водорода, а также часть атомов гелия и лития берут свое начало от Большого взрыва, который, как считается, породил нашу Вселенную. Они появились, когда Вселенная уже настолько остыла, что из чистой энергии начала формироваться материя. Таким образом, весь водород в воде и органических молекулах, из которых состоит ваше тело, существует с момента рождения Вселенной.

Спустя некоторое время под действием силы тяжести водород начал образовывать скопления, из которых появились звезды. Поначалу они сжигали водород, превращая его в гелий. После того как бо́льшая часть водорода была израсходована, звезды начали потреблять гелий, превращая его во все более тяжелые элементы вплоть до железа. Именно тогда и появились такие необходимые для жизни элементы, как углерод и кислород.

Еще позже некоторые из звезд стали настолько нестабильными, что взорвались. Эти катастрофические взрывы называют рождением сверхновых. Обычным звездам не хватает энергии, чтобы произвести элементы тяжелее железа, но взрыв сверхновых порождает такую энергию, что в них могут формироваться все элементы вплоть до урана – самого тяжелого из встречающихся в природе веществ.

Это означает, что вы в буквальном смысле состоите из звездной пыли. Атомы волоса, который вы держите в руке, и все остальные атомы вашего тела появились либо во время Большого взрыва 13,7 миллиарда лет назад, либо внутри звезд 7–12 миллиардов лет назад. Они имеют невероятно древнее происхождение. Мы привыкли считать, что Вселенная – это сфера интересов астрономов и что она слишком далека и никак не связана с нашей земной жизнью. Однако каждый атом вашего тела когда-то прибыл из космических далей.