Глава 5 Необычная тюрьма

Ваш кофе становится все холоднее, а рука, держащая молоко, болит. Но вас это не волнует.

Ваша мини-копия только что решила погрузиться в глубины атома водорода, создавшего молекулу воды прямо на ваших глазах, в его ядро. Множество крошечных жемчужин света (виртуальных фотонов, виденных вами между магнитом и холодильником) появляются и исчезают вокруг, подтверждая, что ядро, к которому вы стремитесь, электрически заряжено, разрушая представление о том, что между электронами атома и его ядром ничего не существует.

Тем не менее в сравнении с угаданным вами размером атома вам приходится пересечь огромное расстояние, прежде чем достичь ядра водорода.

Но вы в конечном итоге находите его.

Так же как вращающийся вокруг него электрон, ядро атома водорода, кажется, не имеет определенной формы, но обладает массой. Но оно тяжелее. Намного тяжелее электрона: в 1836 раз. И имеет заряд, полностью противоположный заряду электрона.

Ядро водорода называется протоном.

Он больше электрона, но по сравнению с размерами самого атома (объем вместе с электронами) чрезвычайно мал. Британский физик новозеландского происхождения Эрнест Резерфорд открыл его существование в 1911 году, через три года после присуждения ему Нобелевской премии по химии за работу над совершенно новым явлением, названным радиоактивностью. Однако он не знал того, чего не мог знать, а именно что в отличие от электрона протон не является фундаментальной частицей. Внутри него существует свой мир.

Не тратя время на попытки осознать невозможное, вы закрываете глаза и разводите руки в стороны, чтобы, подобно йогу, ощутить, что представляет собой внутренний мир протона.

Вас сразу же захватывает настолько мощная сила, что все испытанное до сих пор кажется детской игрой, вы снова открываете глаза, смотря прямо перед собой.

Электромагнетизм может легко пересилить вас: некоторые магниты настолько прочно прилипают друг к другу, что вам никогда не удастся разъединить их.

Гравитация также может пересилить вас и на самом деле занимается этим: вы никогда не сможете освободиться от земной гравитации.

Но в целом это другой уровень сил.

Внутри протона, выглядящего чем-то вроде расплывчатой облачной сферы, вы улавливаете мелькание появляющихся и исчезающих бесчисленных виртуальных частиц, а также электромагнитных жемчужин света, виденных вами между магнитом и холодильником или между электроном и протоном. Но они не являются виртуальными фотонами. Они – переносчики нового взаимодействия, и новая сила, вместе с квантовым полем, которому она принадлежит, обеспечивает устойчивость всей вселенской материи.

Без нее все, что мы знаем, исчезнет в мгновение ока. Все. Включая ваше тело.

Виртуальные частицы, переносящие эту удивительную силу, силу, сохраняющую материю в неизменном состоянии, в сотни раз мощнее фотонов, переносчиков электромагнитного взаимодействия. Они являются переносчиками так называемых сильных взаимодействий.

Но если бы они были «просто» переносчиками, то почему не видно фундаментальных частиц нового поля? Виртуальные фотоны заставили заряженные частицы взаимодействовать, и где же это взаимодействие?

Не дожидаясь следующей мысли, вы прыгаете внутрь протона, снова закрываете мини-глаза, поднимаете мини-руки и пытаетесь… почувствовать… найти цель переносчиков мощного взаимодействия… Будучи окруженным таким количеством энергии, необходимо произвести огромное усилие для того, чтобы сосредоточиться, но в конце концов вы справляетесь. Вам удается различить три вещи, три нечеткие, волнообразные, тяжелые маленькие частицы, которые ученые называют кварками. Название может показаться странным, но разве не то же относится ко всем новым именам, прежде чем мы привыкаем к ним?

Никто кроме вас прямо сейчас никогда не видел кварк воочию. Они даже не существуют самостоятельно – их сильные виртуальные маленькие собратья, постоянно появляющиеся и исчезающие вокруг, просто не позволят этому случиться. Чем дальше отходят друг от друга кварки, тем более мощными становятся переносчики сильных взаимодействий, возвращая кварки обратно гораздо эффективнее, чем любая другая известная сила в природе.

Поэтому жизнь для трех заключенных внутри протона кварков довольно ограничена, являясь практически тюрьмой.

А их виртуальные тюремщики, переносчики сильных взаимодействий? Кто они? Какие они? Они не фотоны, это точно. Они не являются частью электромагнитного поля, помните: они – выражение абсолютно другого поля, квантового поля сильного взаимодействия.

И они настолько эффективны в работе по склеиванию кварков вместе, что их прозвали глюонами.

Кварки и глюоны.

Они составляют все протоны нашей Вселенной.

Теперь нечто странное об этой самой крошечной из тюрем, в которую ваша мини-копия нанесла визит: большинство из нас свято верит, что если оказаться за решеткой, будучи человеком, то свобода означает очутиться от камеры и ее стражей так далеко, насколько возможно. А вот для удерживаемых в протонах кварков, преступники они или нет, все наоборот. Для них свобода заключается в близком расстоянии. Чем больше они сближаются, тем свободнее могут делать все, что заблагорассудится. Свобода кварков – действительно очень странное понятие: мир возможностей открывается им, как только они становятся ближе друг к другу.

За открытие этого своеобразного типа свободы трое американских ученых, Дэвид Гросс, Фрэнк Вильчек и Дэвид Полицер, получили в 2004 году Нобелевскую премию по физике. Действительно трудная для понимания концепция. Настолько тяжелая, что когда я встретил Дэвида Гросса и Фрэнка Вильчека в Кембридже за пару лет до получения премии, то, помню, поинтересовался, не должен ли я попросить их вернуть мне деньги, потраченные на таблетки против головной боли, заработанной в попытках понять их работу.

Кварки и глюоны.

Элементарные частицы – кварки, созданные из самих себя.

И глюоны.

Переносчики самой мощной известной нам силы – сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки вместе, позволяя им быть свободными, только когда они близки друг к другу, гарантируя, таким образом, что составляющая нас материя не разорвется на кусочки.

Кварки и глюоны.

Действительно странные имена, используемые для описания сущности реальности, такой далекой от нашей повседневной жизни, что она вполне может показаться весьма незначительной. Однако сильное взаимодействие с его кварками и глюонами вовлекает в себя около 99,97 % составляющей наши тела массы. Если бы человек весом 60 килограммов сию минуту потерял все свои кварки и связывающие их глюоны, то он или она мгновенно похудел бы до веса 18 граммов. И очевидно бы умер.

Чтобы понять, что узнало человечество до сих пор о нашей реальности, или даже выяснить, из чего она состоит, кварки и глюоны весьма необходимы. И это, кажется мне, довольно веская причина их изучать. Несмотря на то что они в скором времени позволят нам вернуться назад в прошлое примерно через секунду после зарождения пространства и времени.

Итак, как мы уже упомянули, поле, к которому относятся эти новые частицы, называется полем сильного взаимодействия или сильным полем. Это, конечно же, квантовое поле, так как большая часть странного квантового поведения обнаруживалась ранее при участии электронов и света – исчезновение и появление где-нибудь в другом месте или, например, туннелирование здесь не применимо. Но, что важно подчеркнуть, хотя поле сильного взаимодействия – не то же самое, что электромагнитное поле, тем не менее оно также заполняет всю Вселенную. Это еще одно море, если хотите, чьи капли – кварки и глюоны, а не электроны и фотоны. И ничто не мешает частицам принадлежать обоим полям: электрически заряженные кварки принадлежат электромагнитному полю так же, как полю сильного взаимодействия. Они могут взаимодействовать с переносчиками взаимодействий каждого из полей: с помощью света и глюонов. Но на коротких расстояниях глюоны гораздо мощнее света.

Итак, а что насчет нового моря? Каковы его фундаментальные частицы?

Поле сильного взаимодействия имеет шесть типов частиц, шесть различных сортов кварков, которые могут выскочить из него в любое время, в любом месте, если имеется достаточное количество энергии. Хотя только два типа из них находятся в ядре атома. Это так называемые верхний и нижний кварки, В каждом протоне Вселенной есть два верхних кварка и один нижний, так что было бы справедливым сказать, что у протонов больше подъемов, чем спусков, что, возможно, объясняет, почему они счастливы в своей субатомной тюрьме.

Но протоны – не единственные существующие кварковые тюрьмы, как вы теперь увидите внутри вашего атома золота.

Уставшая от водорода мини-копия выпрыгивает из него на кухонный стол, где вы разрезали свое сокровище на кусочки.

Атом золота все еще там – вы ныряете в него.

Скрытое глубоко под 79 вертящимися вокруг него электронами ядро гораздо больше атома водорода. Для уравновешивания заряда 79 электронов имеется 79 протонов. Но здесь также есть и другие нечеткие сферы, окружающие – отделяющие? – эти протоны. Незаряженные сферы. Вы можете насчитать 118 из них.

Будучи электрически нейтральными, они называются нейтронами. Они тоже являются кварковыми тюрьмами, обнаруженными английским физиком, сэром Джеймсом Чедвиком, оказавшимся помощником выдающегося ученого Резерфорда.[37] В 1935 году Чедвик получил за свое открытие Нобелевскую премию по физике.

Внутри каждого протона глюоны удерживают два верхних кварка и один нижний. Верхних – большинство. В нейтронах наоборот: нижние ведут – два к одному.

Итак, каким образом складываются все эти тюрьмы для образования атомного ядра? Почему они не отодвигаются друг от друга? Или не сталкиваются? В конце концов, все протоны положительно заряжены. Они должны отталкиваться.

Но этого не происходит. Почему? Потому что сильное поле и его переносчики не позволяют им так делать, хоть и очень странным образом. Остаточным путем.

Чтобы выяснить, что это значит, мини-копия принимает смелое решение внимательно следить за неуловимыми глюонами, сторожащими кварки внутри протона. Вот они. Вы не в состоянии их видеть, но можете ощутить по методике йогов. Они появляются и исчезают, чтобы удержать кварки от самостоятельных прогулок.

Но вдруг происходит нечто очень странное.

Что-то вылетело. Выскочило из протона. Но что? Глюон? Почему бы и нет, в конце концов? Они же стражи, а не пленники…

Но нет, это не глюон.

Нечто не похожее на него, в любом случае.

Вы заостряете йоговское восприятие… и вот, пожалуйста.

Получается, что глюоны вообще не ходят поодиночке. Они должны найти другой глюон. Друга. Объединившись с нужным напарником, они превращаются в нечто другое.

Вы осматриваетесь, и прямо там, слева, между двумя кварками снова происходит то же самое.

Глюон вылетает из поля, так же как и его напарник, они прилипают друг к другу и… бац! Подобно тому как свет может трансформироваться в электрон, два глюона превращаются в два кварка! Кварк-дуэт, который больше не связан с другими кварками, охраняемыми глюонами! Они выходят на свободу в качестве нового объекта, чтобы оставить кварковую тюрьму, частью которой являлись!

Вы видите, как новоиспеченные кварки удаляются.

И направляются прямо к ближайшей кварковой тюрьме. По существу, они стали переносчиками еще одной силы; действующей уже не на кварки, а на сами кварковые тюрьмы. Достигнув ее, они снова превращаются в глюоны и начинают охранять кварки уже там…

Именно благодаря таким превращениям нейтроны и протоны сосуществуют внутри атомных ядер. Путешествуя из одной тюрьмы в другую, два оборотня – кварки-глюоны – обеспечивают устойчивость атомных ядер. Эти обменивающиеся частицы, кварк-дуэты, странствующие по тюрьмам, называются мезонами. А сила, которую они переносят, – сильным ядерным взаимодействием. Это – сила притяжения. И весьма мощная.

За гипотезу о существовании мезонов, выдвинутую задолго до их обнаружения экспериментальным путем, японский физик-теоретик Хидэки Юкава был удостоен в 1949 году Нобелевской премии по физике.

Отплясывающий странный твист, кипящий суп из кварков и глюонов, какой можно обнаружить внутри всех протонов и нейтронов, также ответствен за недостающую массу, о которой мы уже упоминали давным-давно, недостающую массу, заставляющую звезды светить.[38]

Внутри звезд, как вы теперь прекрасно знаете, мелкие атомы сливаются вместе для образования новых, более крупных. Это означает, что звезды объединяют вместе протоны и нейтроны, и происходит так, что соединившимся нейтронам и протонам уже не нужно столько виртуальных глюонов для охраны своих кварков (или мезонов для охраны их тюрем), сколько было необходимо, когда они существовали по отдельности. Это немного похоже на слияние двух компаний: некоторые сотрудники становятся лишними, и их увольняют… В ядрах звезд лишние глюоны, кварки и мезоны тоже выбрасываются. Так как они переносят энергию, а энергия есть масса, то выброс снижает массу вновь слитого ядра. Именно поэтому все образованные путем слияния ядра не такие тяжелые, как взятые по отдельности. Однако в отличие от уволенных людей эта недостающая масса превращается в энергию, обменный курс которой равен E = mc², что заставляет звезды светить.

Таким образом, гравитационная энергия в глубинах звезд используется для формирования атомов, процесса, включающего в себя массу, превращающуюся в тепло, свет и множество иных частиц, присутствующих вокруг, но не уловимых глазом. Хотя большая часть реальности скрыта от наших чувств, во Вселенной все взаимосвязано.