Текст книги "Вселенная! Курс выживания среди черных дыр. временных парадоксов, квантовой неопределенности"

Глава 4
Стандартная модель

Почему Большой адронный коллайдер не уничтожил Землю?[56]56
  Если к моменту публикации книги БАК действительно уничтожит Землю, мы принесем свои искренние извинения и будем готовы возместить все затраты на эту книгу.


[Закрыть]

21 марта 2008 года Уолтер Вагнер и Луис Санчо начали процесс в Федеральном суде США с единственной простой целью – спасти человечество. Истцы утверждали, что в ближайшие несколько месяцев планируется ввести в действие Большой адронный коллайдер (для краткости – БАК), а он, возможно, начнет производить микроскопические черные дыры, которые, возможно, сольются воедино и в конце концов сожрут Землю изнутри.

Вагнер и Санчо были не одиноки. Нас как физиков то и дело спрашивают, уничтожит ли БАК Землю или даже всю Вселенную. Такая травля пробудила в нас своего рода паранойю – вдруг мы и правда играем некоторую роль в грядущей гибели человечества? В Интернете полным-полно петиций, призывающих закрыть ЦЕРН (CERN – французское сокращение, означающее «Европейский центр ядерных исследований»), организацию, под эгидой которой создан БАК. Некоторые из них приводят серьезные рациональные обоснования того, почему нужно провести дополнительные исследования и принять меры предосторожности. Однако подавляющее большинство имеющихся интернет-обращений напоминают серии эсэмэсок, написанных разъяренными первоклашками:

В сентябре 2008 года ЦЕРН (Европейский центр ядерных исследований) запустит машину, называемую «Большой адронный коллайдер». Это для каких-то научных целей. Наверно, если это получится, ученые получат ответы на всякие вопросы. НО! Если БАК получится, возможно, мы никогда не узнаем ответы на эти вопросы! (Ну, и так далее.)

Даже Нострадамус – и тот призывает к действию, примерно так же связно, и грозно предупреждает нас из прошлого:

IX‑044

 
Migrés, migrés de Geneue trestous,
Saturne d′or en fer se changera:
Le contre Raypoz exterminera tous,
Auant l′aduent le ciel signes fera.
 
 
Все, все покидайте Женеву,
Небо из золотого станет стальным:
Антихрист уничтожит всех,
А перед этим будут видны знаки на небе.
 

Разумеется, Нострадамус не сумел предсказать, что последняя версия «Халка» окажется такой провальной, а жаль: пришлось идти в кино и смотреть эту гадость. Вообще-то БАК действительно с виду похож на адскую машину: это гигантское подземное кольцо окружностью в 26 659 м, оно такое огромное, что четырежды пересекает франко-швейцарскую границу. БАК можно считать чудовищных размеров трассой для гонок, в которых частицы разгоняются до 99,999999 % скорости света[57]57
  Это не преувеличение – ничто не способно двигаться быстрее света, зато можно бесконечно к ней приближаться.


[Закрыть], а затем врезаются друг в друга. Как мы видели в главе 1, энергия и масса взаимозаменяемы, так что на этих диких скоростях создается много массивных частиц. Это величайшее достижение в области столкновения частиц, и общественность боится, что в результате этих столкновений будет создано нечто такое, что уничтожит человечество.

Но ничего такого не случилось.

Во-первых, если кого-то пугают слова «ускоритель частиц», напомним, что это не новые технологии. Если вы когда-нибудь смотрели телевизор старого образца, то видели простенький ускоритель частиц в действии. Старые телевизоры ускоряли электроны в электронно-лучевых трубках, а позиция луча создавала на экране волшебные движущиеся картинки. Механизм БАК немного иной, но любые ускорители частиц, подобно телевидению, способны и пугать, и просветлять[58]58
  Например, телевидение позволило многое узнать о пороге чувствительности у человека – для этого достаточно было пускать некоторые сериалы по четыре сезона кряду.


[Закрыть].

Так что же происходит? Можно ли считать БАК очередным важным шагом к полному пониманию природы Вселенной или мы, подобно Икару, подлетаем слишком близко к Солнцу? Ждет ли нас возмездие за дерзкую жажду к знаниям?

Успокойтесь, никому ничего не грозит. Откуда мы это знаем? Подождите немного: прежде чем выяснить, почему БАК не чреват никакими опасностями, надо сначала понять, зачем его вообще построили.

I. Зачем нам вообще нужен ускоритель стоимостью в несколько миллиардов долларов?

Школьная физика казалась мешаниной из произвольных правил: если у тебя рычаг, подставляй числа в эту формулу, если наклонная плоскость – в другую, если ускорение – в третью и так далее. Честно говоря, необходимость зубрить формулы про движение и трение в первую очередь и отвращает от физики[59]59
  И от романтических свиданий – по сходным причинам.


[Закрыть].

И очень жаль, потому что физика совсем не так чудовищна, как думают многие бывшие школьники. Если бы физика сплошь состояла из архисложных правил и загадочных исключений, ее бы называли не физикой, а бухгалтерским учетом. Цель физики – свести количество законов к минимуму. Однако это не значит, что если бы мы знали эти простые законы, физические расчеты тоже стали бы простыми. Представьте себе, что у вас есть друг[60]60
  Постарайтесь-постарайтесь, мы уверены: у вас получится.


[Закрыть], который никогда в жизни не видел шахматной доски. Объяснить правила игры в шахматы вы сумеете в считаные минуты. И ваш друг обнаружит, что шахматы – весьма логичная игра, ему известны все правила, все происходит исключительно по этим правилам, и тем не менее играет он из рук вон плохо.

Эту главу мы начали на очень торжественной ноте – размышляли о возможности уничтожения Вселенной. Теперь настроимся на более легкомысленный лад: представим себе, что физика – это игра (или набор игр) вроде тенниса или бадминтона. Эти игры на вид очень похожи друг на друга. В обоих случаях мы имеем двух или больше игроков, которые перебрасывают мячик (ну, или воланчик) ракетками через сетку, а главная цель игры – заставить противника или команду противников промахнуться.

Нам нужно выяснить, каковы правила игры, понять, какие игроки в нее играют, а какие – нет, и, вероятно, добавить два слова о мячике. В идеале мы когда-нибудь докажем, что все эти на вид разные игры на самом деле – одна суперпотрясающая метаигра вроде десятиборья. Физики уже отлично поработали над описанием физических законов, разбив их на две части:

1) игроки – существует набор фундаментальных частиц;

2) игры – существуют четыре силы, каждая из которых подчиняется примерно похожим наборам правил. Не все частицы играют во все игры.

Набор частиц и набор правил вместе называются «стандартная модель». Стандартная модель служит не только для описания того, из чего создана Вселенная, но и для бесконечных плоских каламбуров.

Начнем с основ: материя состоит из атомов[61]61
  То есть вся материя, которую можно увидеть и потрогать. Относительно темной материи ничего нельзя утверждать с уверенностью.


[Закрыть]. Эту идею выдвинул в 1789 году химик Антуан Лавуазье, который заявил, что делить материю до бесконечно малых величин невозможно, в конце концов получаются мельчайшие неделимые частицы[62]62
  Да-да, мы знаем, что Демокрит с Левкиппом еще в V веке до нашей эры додумались до идеи «атомов» как неделимых частичек, самых мелких предметов во Вселенной, но всякое сходство их атомов с нашими следует считать случайным совпадением.


[Закрыть]. Эти «неделимые частицы» стали называть атомами, но лишь в последние сто лет мы наконец поняли, какие атомы на самом деле маленькие и компактные.

В 1909 году Эрнест Резерфорд проделал следующий опыт: он направил луч так называемых альфа-частиц[63]63
  В те дни названия частиц звучали куда фантастичней нынешнего. Поскольку тогда мы не представляли себе, из чего состоит материя, то придумывали названия вроде «альфа-частиц», «бета-частиц» и «гамма-лучей». Впоследствии их заменили «ядрами гелия», «электронами» и «высокоэнергичными фотонами». Да, здорово жилось в старые времена! Вот почему в наши дни так популярен стиль стимпанк.


[Закрыть] на кусок тоненькой золотой фольги. Большинство альфа-частиц прошли сквозь фольгу, как будто ее и не было. Однако некоторые альфа-частицы отразились от фольги и отскочили обратно. Как говорил сам Резерфорд: «Это было невероятно – как будто стреляешь пятнадцатидюймовым снарядом в папиросную бумагу, а он отскакивает и попадает в тебя!» От этого, разумеется, и отталкивались художники, придумавшие первую развеселую обложку для учебника под девизом «Физика и жизнь».

Резерфорд обнаружил крошечную крупинку в центре атома. Этот комочек мы и называем ядром, и когда мы говорим, что он крошечный, то отвечаем за свои слова. Учитывая, с какими исполинскими масштабами мы столкнемся, когда будем говорить о космологии, и какими субмикроскопическими величинами оперируем в этой главе, возможно, будет проще прибегнуть к «экспоненциальному представлению»: ядро составляет примерно 10^–15 размера атома. То есть 0,000 000 000 000 001. Это примерно то же самое, что сравнивать размер вашего дома с размером земного шара. Поскольку в ядре заключено 99,95 % массы атома, мы имеем полное право сказать, что в атоме ужасно много пустоты.

Но каким бы маленьким ни было ядро, его можно делить дальше. Если пробиться внутрь ядра, то там обнаружатся еще более мелкие частицы – так называемые адроны, хотя вы, вероятно, знаете их по имени: это протоны и нейтроны. Именно в честь протонов и назван женевский Большой адронный коллайдер – так как именно эти частицы и должны в нем сталкиваться. Эти два адрона похожи как две капли воды за двумя важными исключениями – нейтрон на 0,01 % массивнее, а протон несет положительный электрический заряд +1, в отличие от нейтрона, который потому так и называется, что электрически нейтрален. Скоро мы вплотную займемся следствиями того, что протон обладает зарядом, а пока достаточно сказать, что если вы когда-нибудь надевали ясным зимним днем шерстяной свитер, то, наверное, знаете, что такое заряд.

Мы уже списали на адроны 99,95 % массы атома, но пока ничего не сказали о крошечном остатке – о том, что, по всей видимости, составляет подавляющее большинство объема атома. Эти крошечные частички называются электронами, и о них мы начали говорить в главе 2. На этот раз мы поговорим об электронах как о фундаментальных частицах. Как бы вы их ни терли, как бы ни раздирали, ни на что более мелкое они не распадаются.

Чтобы понять, насколько они мелкие, скажем, что встречаются они так же часто, как протоны и нейтроны, однако в человеке весом 68 килограммов наберется только 14 граммов электронов. Это примерно столько, сколько весит содержимое ваших глаз. Электроны, как и протоны, обладают электрическим зарядом, но, в отличие от протонов, их заряд отрицательный (–1). В нормальных атомах электронов и протонов поровну, а значит, эти атомы электрически нейтральны.

Нейтральность – это удел не только Швейцарии и атомов. Сколько бы материи ни создавалось во Вселенной, протонов и электронов в ней всегда поровну, поэтому Вселенная в целом электрически нейтральна – и всегда была такой. Нет ни одного эксперимента, в котором не сохранялся бы заряд, – неважно, где его проделывают, на Земле или в космосе. Это приводит к первому основному закону для всех фундаментальных сил:

электрический заряд не создается и не уничтожается.

Как можно ожидать, действие в нашей универсальной игре не сводится к тому, чтобы перетаскивать протоны и электроны с места на место, все время сохраняя заряд. Посмотрим, к примеру, на нейтрон. Нейтрон – это что-то вроде пациента в коридоре у кабинета врача: прождав минут десять, нейтрон взрывается. Разница в том, что вместо того, чтобы накричать на регистраторшу, нейтрон буквально разлетается на разные другие частицы.

Спросите Знайку!

Можно ли придумать уменьшительные лучи и сделать миниатюрные атомы?

Огромное, подавляющее большинство объема атомов состоит из пустого пространства. Конечно, в атоме есть ядро и электроны. Однако, как мы видели в главе 2, электрон – это не просто шарикоподшипник или мякоть персика (а ядро – косточка). Это большая вероятностная волна. Неужели нельзя придумать лучи или устройства, которые заставят электронные облака сжаться? Легче предметы от этого не станут, зато упаковать чемодан перед длительным путешествием станет проще простого.

Однако при этом мы сталкиваемся с проблемой неопределенности. Как мы видели в главе 2, когда пытаешься поймать электрон в небольшое пространство, чтобы создать суперминиатюрные атомы, то, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, энергия этих электронов сразу же сильно повышается. Энергия может стать настолько высокой, что электроны вырвутся из электромагнитного притяжения ядра.

В конечном итоге размер атома определяется достаточно четкой комбинацией физических констант: зарядом электрона, постоянной Планка (числом, которое говорит нам, как сильна квантовая механика), массой электрона и скоростью света. Если бы мы смогли переделать фундаментальные константы физики, то смогли бы и делать миниатюрные атомы. А пока проще покупать себе чемоданы попросторнее.

Самая крупная из этих частиц – протон. Возможно, вас это удивит, поскольку мы говорили вам, что электрический заряд сохраняется, но задумайтесь вот над чем: в этом нет ничего страшного, если найдется другая частица с отрицательным зарядом, чтобы уравновесить положительный заряд протона. Что-то вроде электрона. Точнее, сам электрон.

В результате нейтронного распада образуется кое-что еще, но мы хотим сделать два предупреждения: 1) как бы ни казалось на первый взгляд, нейтрон не состоит из протона, электрона и кое-чего еще, – он в них превращается; 2) кстати, протоны и нейтроны кое из чего состоят, просто мы еще не сказали из чего.

Скоро мы поговорим и о других фундаментальных частицах, но боимся, как бы вы еще раньше не заблудились в «зоопарке частиц». Мы не собираемся заставлять вас зубрить большой каталог фундаментальных частиц по той простой причине, что их (по меньшей мере) 18, не считая диких разновидностей одной и той же частицы, которые на самом деле с фундаментальной точки зрения не отличаются друг от друга. Из предупредительности к вам, читатель, мы поместили в конце главы удобное приложение, где перечислен весь «зоопарк» с указанием всего, что вам имеет смысл знать о каждой частице. Не за что, не за что, не стоит благодарности.

Теперь вы знаете о том, из чего состоит материя, примерно столько же, сколько знал каждый лет сто назад, но мы собираемся копнуть чуть глубже, чтобы разобраться, что происходит на самых глубоких уровнях. Вот почему мы собираемся выбить из этих частиц все, что можно, – а для этого нам нужен БАК. Мы надеемся, что протоны – это такие свиньи-копилки или иностранные шпионы: если стукнуть их посильнее, получится кое-что интересненькое[64]64
  Шутим, шутим. Один из нас (Голдберг) постоянно участвовал в математических олимпиадах, так что он тоже спортсмен, а у спортсменов особое чувство юмора.


[Закрыть].

Кольцо коллайдера – это гоночная трасса для протонов, и два протонных луча будут лететь навстречу друг другу со скоростью, близкой к скорости света. Как мы видели в главе 1, чтобы заставить частицы двигаться настолько быстро, нужна прорва энергии. Опустим вычисления – скажем только, что энергии, необходимой, чтобы разогнать два протона до такой скорости, чтобы они распались, хватит и на то, чтобы по закону Е = mc ²создать 14 тысяч протонов с нуля. Когда два протона сталкиваются, происходит много разных событий, но все они подчиняются второму из наших основных законов:

энергия не создается и не уничтожается.

Зато ее можно конвертировать из движения в массу, и именно это мы и собираемся делать в коллайдерах частиц.

II. Как открывают субатомные частицы?

Если столкнуть друг с другом энергичные протоны, получатся частицы, куда более массивные, чем исходные. Но если частицы, которые создаются в ускорителях, так массивны, зачем вообще нужны ускорители? Наверное, великанские частицы легко заметить и так?

И да и нет. Конечно, если бы в пространстве там и сям плавали массивные частицы, их можно было бы собирать и исследовать безо всякого труда. Беда в том, что все во Вселенной стремится сбросить энергию до минимально возможной. Положите на стол мяч для боулинга – в этой позиции у него будет довольно много энергии – и легонечко подтолкните его. Он упадет со стола к вам на ногу – где энергии у него будет гораздо меньше. Поскольку энергия и масса эквивалентны, это означает, что массивная частица распадется, если это вообще возможно, на менее массивную и еще что-нибудь – и очень скоро, в чем мы убедились, когда говорили о радиоактивности в главе 3.

Самые массивные частицы живут всего миллионную долю секунды или даже меньше, а потом распадаются на более легкие, и так будет продолжаться предположительно 13,7 миллиарда лет – с начала времен и до тех пор, когда все массивные частицы раз и навсегда распадутся. Должно быть, вы предполагаете, что тогда все уляжется и останутся только наши старые знакомые протоны и нейтроны, но вы же уже поняли, что бывает, когда вы что-то предполагаете, правда?

По Вселенной так и шныряют высокоэнергичные заряженные частицы. Протоны на высоких скоростях испускает и Солнце, и другие звезды в разных частях галактики, и сверхновые, – все места, где есть высокоэнергичные источники. Эти заряженные частицы, которые называются космическими лучами, летают туда-сюда, пока на что-нибудь не наткнутся. Если бы не магнитное поле, окружающее нашу планету, этим «чем-нибудь» могли бы быть ваши клетки – и тогда космические лучи убили бы вас или стерилизовали. Вот почему нужно слушаться мамочку и не проводить в открытом космосе слишком много времени. Достаточно часто космические лучи попадают в атмосферу и сталкиваются с кислородом или азотом, превращаясь в процессе в более массивные частицы. Стратосфера и все, что выше, кишат, словно нечищеные зубы, всякой дрянью – мюонами, каонами и пионами.

Эти частицы рождаются и умирают в мгновение ока[65]65
  Строго говоря, за время, которое уходит у вас на это самое мгновение ока, полноценную насыщенную жизнь проживают примерно сто миллионов пионов.


[Закрыть], поэтому создать их и измерить можно только и исключительно внутри ускорителя. Если мы столкнем частицы друг с другом при достаточно высокой энергии, а затем сошлемся на закон Е = mc²… вуаля! Массивные частицы у нас в кармане. Если мы будем получать их в ускорителях, то нам будет проще предсказывать, когда они появляются, а значит, легче и изучать их.

Однако пионы и мюоны – не единственные массивные частицы, которые страдают от дегенеративных тенденций. Как мы уже упоминали, распаду подвержен даже нейтрон (эта черта отличает его от протона)[66]66
  Возможно, отличает. Мы вернемся к этому в главе 9.


[Закрыть]. Если вы дадите нейтрону около 10 минут, он распадется на протон, электрон (а значит, сохранится общий заряд) и еще одну частицу, о которой мы вам раньше не говорили, – она называется антинейтрино.

Только не пугайтесь – мы сейчас вам все объясним, и про «анти», и про «нейтрино». Начнем с «нейтрино». Это название выбрано потому, что нейтрино электрически нейтральны, а прямо их не увидеть. Откуда же мы узнали, что они есть, если они, в сущности, невидимы? Хороший вопрос.

В 1930 году Вольфганг Паули предложил новаторскую интерпретацию экспериментов с распадом нейтрона. Было замечено, что когда нейтрон распадается, протон и электрон часто отлетают в одном и том же направлении. Интерпретацию распада нейтрона по Паули, как и многие явления в жизни, легче представить себе, если привлечь к делу супергероев.

Представьте себе, как Сью Шторм, она же Невидимая Леди, и ее муж мистер Фантастик[67]67
  «Фантастическая четверка» черпает свою сверхчеловеческую силу в космических лучах, а значит, этот пример вдвойне уместен.


[Закрыть] катаются на коньках по замерзшему пруду. Они отталкиваются друг от друга, и мистер Фантастик стремительно отъезжает в одну сторону, а Сью, как всегда невидимая, – в другую. С берега за ними наблюдает Существо, которое видит только мистера Фантастика, который мчится задом наперед, – с его точки зрения, безо всякой причины. Но Существо довольно быстро понимает, что к чему. Он уверен, что на льду есть еще кто-то – кто-то невидимый – и что этот второй сейчас мчится в противоположном направлении.

Паули, сыгравший роль Существа, заключил, что должна существовать невидимая частица-призрак, электрически нейтральная: антинейтрино.

Нейтрино (а следовательно, и антинейтрино) очень легкие, и довольно долго считалось, что они полностью лишены массы. Однако в 1998 году на японском нейтринном детекторе «Супер-Камиоканде» был проведен эксперимент, показавший, что у нейтрино на самом деле есть некоторая масса. Это выдающееся достижение, но следует также отметить, что пока что ученые еще не вычислили массу нейтрино. К этому вопросу мы еще вернемся в главе 9, а пока вправе уверенно сказать, что масса нейтрино во много раз меньше массы электрона.

Что же касается «анти», постарайтесь не пугаться этого слова. «Анти» означает всего-навсего «наоборот» – античастица имеет квантовые числа, прямо противоположные частице-партнеру. Антиматерия – вещество со скверной репутацией: всем известно, что если комок антиматерии соприкоснется с обычной материей, они взорвутся и превратят всю свою массу в энергию. Сами по себе античастицы безобидны. Если бы мы вдруг взяли сразу все частицы во Вселенной и заменили их античастицами (в том числе и те, из которых состоите вы), вы бы не заметили разницы.

III. Зачем разным частицам так много разных правил?

Сейчас, когда мы установили несколько основных законов, общих для всех фундаментальных сил, настала пора поговорить об играх, начиная с самых простых и очевидных.

Гравитация

Просим заметить, что люди, само собой, знали о существовании гравитации задолго до того, как сэр Исаак Ньютон «открыл» ее в 1687 году. Например, к тому времени уже давным-давно умели строить катапульты. И прекрасно понимали, что если пустить стрелу вверх, то она впоследствии пробьет доспехи – хорошо бы на другой стороне поля. Без гравитации обслуживающему персоналу гильотины пришлось бы сидеть и дожидаться, когда же ее лезвие случайным образом упадет вниз.

Но Ньютон при помощи простого набора уравнений сумел с большой точностью предсказать падение яблока, орбиту Луны, пути планет. Закон, который он открыл, был прост – и описывал колоссальное множество явлений. Этот закон показывал, что все предметы во Вселенной притягивают друг друга, и чем дальше они друг от друга находятся, тем слабее это притяжение, или гравитация.

Ньютон, однако, разобрался в этой истории не до конца. Лишь в 1916 году Альберт Эйнштейн, разработав общую теорию относительности, объяснил нам, в чем сущность силы тяжести. Однако нам станет интересно, где ошибся Ньютон, только когда мы начнем говорить о машине времени (глава 5), Вселенной в целом (глава 6) и теории Большого взрыва (глава 7). Пока что будем считать, что он был полностью прав.

Мы уже говорили, что каждая из этих сил очень похожа на игру с мячиком и ракетками. Если бы нам предложили выбрать конкретный вид спорта, мы бы сказали, что гравитация похожа на бадминтон. В нее играют на большом поле (в масштабах всей Вселенной), а удары делают совсем слабенькие. Легко представить себе, как в вас попадают воланчиком, – и согласитесь, что по сравнению с ударами разными другими спортивными штуковинами такая травма надолго не запоминается.

Эта игра отлично подходит для начала спортивной карьеры, поскольку в нее могут играть не просто игроки любого возраста, а вообще кто угодно. Все частицы, и массивные, и наоборот, создают гравитационные поля и притягиваются друг к другу.

Электромагнетизм

В отличие от гравитации, которая всегда привлекает и притягивает, электромагнетизм может и притягивать, и отталкивать. Вы уже знаете, что частицы несут один из трех видов электрического заряда: положительный, отрицательный или нейтральный. Если два электрона оказываются бок о бок, они всегда отталкивают друг друга. Пара, в которой одна частица заряжена положительно, а другая – отрицательно, например протон и электрон, всегда притягивается друг к другу. Если обе частицы нейтральны, они ничего не делают.

Два электрона притягивают друг друга силой гравитации, но при этом отталкивают друг друга силой электромагнитного взаимодействия. В нас силен дух нездорового соперничества, примерно как в очереди, поэтому мы сразу зададим вопрос, который наверняка так и вертится у всех на языке: какая сила сильнее – сила тяжести или электромагнитная?

Побеждает электромагнитная – и не по пенальти, а всухую. Электромагнитная сила отталкивания между двумя электронами более чем в 10 раз сильнее, чем гравитационное притяжение, – вот почему мы вправе позволить себе пренебречь гравитацией, когда говорим о размерах порядка атома и меньше.

Наверное, вы заметили, что мы говорим об «электромагнитной» силе, но пока что затронули лишь ее «электрическую» часть. С точки зрения здравого смысла электричество и магнетизм – совсем разные вещи, но на фундаментальном уровне разница лишь в подходе. Неподвижные заряды создают электрическое поле, а подвижные – магнитное поле: вот как работает электромагнит, вот как мы понимали спины у заряженных частиц в главе 3. Подобным же образом изменение магнитного поля может создавать электрические поля – что, в свою очередь, создает электрический ток.

Поразительно, но факт: именно электромагнетизм объясняет практически все физические явления в повседневной жизни. Именно электрическое отталкивание не позволяет вашему седалищу продавить кресло. Именно электрическое притяжение скрепляет молекулы и служит основой для всех химических реакций. И – да, конечно, именно статическое электричество заставляет воздушный шарик прилипать к стенке.

А как же магнетизм? Если не считать магнитных нашлепок на холодильнике, в повседневной жизни мы с ним вроде бы и не сталкиваемся. Зато он играет крайне важную роль в ускорителях частиц. Когда заряженная частица (например, протон) находится в магнитном поле, она движется по круглой орбите. Чем сильнее магнитное поле, тем быстрее движение по орбите. Если поставить в кольцо БАК набор магнитов, то можно будет ловить протонный луч на скорости, близкой к скорости света.

Электромагнетизм – это как теннис. Эта игра гораздо динамичнее многих других, а маленькие пушистенькие желто-зеленые мячики (фотоны) ударяют с такой силой, что только держись. Нейтральные частицы в эту игру не берут, потому что фотоны их «не видят» и потому что они, как всегда, забыли ракетку у мамы дома.

Играть в электромагнетизм могут любые заряженные частицы.

Сильное взаимодействие

Мы были вынуждены ознакомить вас с электромагнетизмом, поскольку существуют наблюдаемые феномены наподобие существования молекул и атомов, которые гравитацией не объяснишь. Однако гравитация и электромагнетизм, даже в сочетании, не в силах объяснить всего.

Рассмотрим гелий. Он состоит из двух нейтронов и двух протонов. Что касается электромагнетизма, нейтроны в этой игре не участвуют, а вот протоны крайне, крайне, крайне не любят общества друг друга. Только представьте себе – в ядре каждого атома гелия электрическая сила отталкивания между протонами составляет около 22,5 килограмма! Почему же гелий не разрывается в клочки под воздействием своего же электромагнитного отталкивания?

Значит, должна быть еще одна сила, которая действует и на протоны, и на нейтроны и заставляет их держаться вместе. Эта сила называется сильным взаимодействием и действует лишь на очень-очень маленьких масштабах – около 10^40–15 метра. Чтобы вам не казалось, что мы жонглируем цифрами, и вы поняли, что это за масштаб, отметим, что размер атомного ядра по сравнению с вашим ростом – это все равно что ваш рост по сравнению с расстоянием до альфы Центавра.

Однако кроличья нора на поверку оказывается еще глубже. В 1960-х годах в ходе эксперимента по глубоко неупругому рассеянию в Стэнфордском линейном ускорителе ученые стреляли в атомы высокоэнергичными электронами. Получившийся рикошет показал, что внутри протонов и нейтронов есть что-то еще – протоны и нейтроны нельзя считать фундаментальными частицами, они состоят из чего-то еще более мелкого. Эти мелкие частички получили название кварков.

Кварки, как и электроны и нейтрино, – последние игроки в нашей метафизической игре. Существует шесть разновидностей кварков (их славные мордашки вы увидите в приложении к этой главе), а пока что нас интересуют только две: u-кварк (с электрическим зарядом в +²/₃) и d-кварк (с электрическим зарядом в —¹/₃). В протонах содержится два u-кварка и d-кварк[68]68
  u + u + d = ²/₃ + ²/₃ – ¹/₃ = 1. Складываем заряды кварков и получаем заряд протона. Круто, правда?


[Закрыть], а в нейтронах – два d-кварка и u-кварк[69]69
  Вычисления проделайте сами.


[Закрыть]. Скрепляет их сильное взаимодействие. На самом деле сильное взаимодействие настолько сильно, что вне протонов и нейтронов кварки не встречаются.

Сильное взаимодействие очень похоже на пинг-понг. Это напряженный поединок в небольшом замкнутом пространстве. В игры с сильным взаимодействием играют только кварки (и протоны с нейтронами, которые состоят из кварков).

Слабое взаимодействие

Когда мы знакомили вас с сильным взаимодействием, то заявили, что нам приходится это делать, потому что существуют загадочные явления, которые невозможно объяснить при помощи двух других сил (гравитации и электромагнетизма). Об одном таком мы уже говорили – это распад нейтрона. Мы сказали, что нейтрон, предоставленный сам себе, распадается на протон, электрон и антинейтрино. Попробуйте-ка объяснить это при помощи одной из сил, о которой мы уже говорили!

Придется нам изобрести (ладно, хорошо, гипотетически выдвинуть) еще одну силу. Задействовав все имеющиеся в нашем распоряжении творческие способности, мы титаническим усилием выдумываем слабое взаимодействие. Слабое взаимодействие характерно в основном для нейтрино, поскольку, раз они нейтральны, они уж точно не умеют играть в электромагнетизм, а в сильное взаимодействие играют только кварки. Как выяснилось, нейтрино и электроны очень похожи, за исключением небольших различий в заряде, и слабое взаимодействие, среди прочего, позволяет нейтрино превращаться в электроны и наоборот. Каждую секунду сквозь вас проходят триллионы нейтрино. Солнце производит их квадрильонами, и все же гигантские детекторы засекают лишь несколько нейтрино в день. Редкость – верный признак того, что слабое взаимодействие не зря получило такое название. А поскольку нейтрино взаимодействуют только посредством слабого взаимодействия, нам и не удается наблюдать их часто.

Слабое взаимодействие очень похоже на бросание тяжелого гимнастического мяча. Летит он очень недалеко, бьет несильно и за типичное время успевает неимоверно надоесть. Вообще-то нам уже намекнули, почему это так скучно. Гимнастический мяч очень тяжелый, и даже атлеты-силачи легендарных времен не могли бросить его достаточно далеко.

В слабое взаимодействие играют кварки, нейтрино и электроны. Поскольку, как мы уже сказали, их очень много и все лезут поучаствовать, игра идет очень медленно, и ничего особенно интересного не происходит.