Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

скорости эта энергия по мере ускорения тела трансформируется в кинетическую (энергию движения). Однако по мере приближения к скорости света ускорять движение тела становится все труднее и все больше энергии, прилагаемой к телу, уходит на увеличение его массы. Это отражается в самой известной физической формуле E = mc2, которая связывает массу (m) и энергию (E) (а также скорость света c в квадрате) и позволяет предположить, что эти две величины могут трансформироваться друг в друга. В каком-то смысле массу можно представить как застывшую энергию. А поскольку квадрат скорости света – огромная величина, небольшая масса может конвертироваться в значительное количество энергии или, наоборот, большое количество энергии застывает в виде совсем небольшой массы.

Таким образом, закон сохранения энергии скорее сводится к закону сохранения энергии и массы: все количество энергии и вся масса во Вселенной – величина, постоянная во времени. Нигде эта идея не видна так явно и не является столь важной, как в субатомном мире, где E = mc2 привело к открытию ядерного распада и высвобождению ядерной энергии. И именно E = mc2 лежит в основе полувековой истории ускорителей, в которых потоки субатомных частиц сталкиваются с выделением еще большей энергии, создавая при этом новую материю – новые частицы. Однако есть определенные правила относительно того, какого рода частицы можно получать из такой энергии, и некоторые из них мы рассмотрим в следующем разделе.

Строительные блоки материи

С того самого момента, когда около 100 лет назад Эрнест Резерфорд с помощью Ханса Гейгера и Эрнеста Марсдена впервые заглянул внутрь атома, когда он направил альфа-частицы на лист золота и наблюдал, как одни проникают сквозь лист, а другие отскакивают, физики поглощены идеей проникнуть поглубже в субатомный мир. Они впервые открыли структуру самих атомов – электронных облаков, окружающих крошечное плотное ядро. Затем они заглянули внутрь ядра и выяснили, что оно состоит из более мелких строительных блоков, протонов и нейтронов. И наконец, нырнув еще глубже, они открыли элементарные частицы – кварки, скрытые внутри протонов и нейтронов. Чтобы вы представили себе соответствующий масштаб, скажу: если бы атом удалось увеличить до размеров дома, то размер кварка внутри протона или нейтрона был бы равен крупице соли. Напомню, что атомы и сами по себе чрезвычайно малы: в одном стакане воды помещается больше атомов, чем количество стаканов воды во всем Мировом океане.

В школе мы узнаем об электромагнитной силе, существующей в форме электрического или магнитного отталкивания и притяжения, однако эта сила играет еще большую роль на более мелком, атомном уровне. Атомы связываются в разных сочетаниях, образуя при этом простые молекулы или сложные вещества, а в конечном счете – все разнообразные материалы, которые мы видим вокруг нас. Но то, каким образом осуществляются эти связи, зависит от организации электронов вокруг ядер, что составляет самую суть химии, и эти комбинации атомов, составляющие наш материальный мир, практически полностью обусловлены электромагнитными силами вокруг электронов. По сути, электромагнитная сила наряду с силой притяжения прямо или косвенно порождает почти все явления, которые мы наблюдаем в природе. В микроскопическом масштабе материалы существуют за счет электромагнитных сил, возникающих между атомами. А вот в космическом масштабе материя существует за счет гравитации.

Внутри атомного ядра мир совершенно иной. Поскольку ядра состоят из двух видов частиц, положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов (которые совокупно называются нуклонами), электромагнитное отталкивание должно приводить к распаду ядра; сила притяжения в этом ничтожном масштабе слишком мала, чтобы на что-то влиять. И все же элементы ядра плотно связаны друг с другом. Это происходит благодаря еще одной силе, которая, подобно клею, связывает не только протоны с нейтронами, но и протоны с протонами, хотя положительные заряды отталкиваются друг от друга. Она называется сильным ядерным взаимодействием и больше всего проявляется при взаимодействии еще более мелких частиц протонов и нейронов – кварков, которые связаны друг с другом «переносчиками сильного взаимодействия» – глюонами. Таким образом, кварки связаны друг с другом посредством обмена глюонами, но они взаимодействуют с электронами и через электромагнитное взаимодействие (поскольку и те и другие обладают зарядом) путем обмена протонами.

Квантовые законы, от которых зависит структура, форма и размеры атомных ядер, очень сложны, и я не буду здесь о них рассказывать. Однако в конечном счете именно взаимодействие электромагнитных сил отталкивания между положительно заряженными протонами и сил притяжения между всеми нуклонами внутри ядра (которые отражают остаточное «сильное взаимодействие» – внутреннего «глюонного» притяжения между кварками внутри нуклонов) и обеспечивает стабильность ядер, а значит, атомов и окружающей нас материи, включая нас самих.

Есть еще одна сила природы (из известных) – четвертая и последняя, которая также в основном ограничена пределами атомного ядра. Ее называют просто «слабым ядерным взаимодействием», а возникает она вследствие обмена бозонами W и Z между определенными частицами (точно так же, как кварки обмениваются глюонами, а электроны – протонами). Подобно сильному ядерному взаимодействию, эта слабая сила действует на очень коротком расстоянии; мы не можем непосредственно наблюдать ее воздействие. Между тем физические процессы, запускаемые этой силой, нам хорошо известны, ибо она заставляет протоны и нейтроны превращаться друг в друга, что, в свою очередь, приводит к бета-излучению – испусканию заряженных частиц из ядра. Бета-частицы бывают двух типов – электроны и их партнеры в антиматерии, позитроны, которые являются теми же электронами, но с противоположным зарядом. Весь процесс достаточно прост: если в ядре наблюдается дисбаланс между количеством протонов и нейтронов, что приводит к его нестабильности, то некоторое количество протонов или нейтронов преобразуется в свою противоположность, восстанавливая этот баланс. В таком процессе создается или испускается либо электрон, либо позитрон (что обеспечивает сохранение электрического заряда). Таким образом, ядро, обладающее слишком большим количеством нейтронов, подвергается бета-распаду, при котором нейтрон превращается в протон с испусканием электрона, причем отрицательный заряд последнего уравновешивает положительный заряд вновь образованного протона (поскольку первоначально существовавший нейтрон заряда не имеет). И наоборот, избыток протонов заставляет один из них превратиться в нейтрон плюс позитрон, который уносит положительный заряд протона, тем самым стабилизируя ядра.

Каждый из протонов и нейтронов содержит по три кварка, которые бывают двух типов (или ароматов), известных под незамысловатыми названиями «верхний» и «нижний». Эти два аромата связаны с разными долями электрического заряда. Протон содержит два верхних кварка, каждый с