Глава 6 Последняя сила

Вы уже узнали о существовании двух квантовых полей, а именно одного, отвечающего за все электромагнитные взаимодействия, и одного, приводящего к возникновению мощнейшей известной человечеству силы, довольно грамотно названной сильным ядерным взаимодействием, включающее в себя остаточное взаимодействие.

Отчасти эти взаимодействия и их поля являются двигателями создания материи. Несмотря на то что магниты могут притягиваться либо отталкиваться, электромагнитное взаимодействие обеспечивает сохранность электронов вокруг атомных ядер. Электроны могли бы отделиться или столкнуться с ядром. Но этого не происходит. Виртуальные жемчужины света мешают им осуществить это. Электромагнитное поле дает атому устойчивость электронных оболочек и способы обмена заряженных электронов для создания молекул и формирования образующей нас материи.

С другой стороны, сильное ядерное взаимодействие состоит в заботе о самих атомных ядрах. Оно удерживает вместе протоны и нейтроны, образуя атомные ядра. Не будь его, все ядра бы распались, и мы мгновенно превратились бы в туман из протонов и нейтронов. То же касается Земли и всего остального.

И, наконец, сильное взаимодействие удерживает заключенные внутри этих протонов и нейтронов кварки, связывая их вылетающими из поля глюонами.

ПУСТОТЫ НЕ БЫВАЕТ, ВСЕ ВЗАИМОДЕЙСТВУЕТ СО ВСЕМ, ВПЛОТЬ ДО САМЫХ ПОТАЕННЫХ ЧАСТЕЙ АТОМОВ, СОЗДАННЫХ И ОСТАЮЩИХСЯ ЦЕЛЫМИ БЛАГОДАРЯ ЧРЕЗВЫЧАЙНО СИЛЬНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯМ.

Таким образом, вы совершили путешествие по двум полям, увидели их взаимодействующие частицы и переносчиков силы, придающих миру жесткую, хотя неуловимую осязаемость. Вы наблюдали фотоны и электроны, играющие и превращающиеся друг в друга. Вы подсматривали за глюонами и кварками, шевелящимися в ядрах атомов драгоценного золота и обычного водорода, самого маленького и самого распространенного кирпичика вселенской материи, того самого водорода, который звезды расплавляют в своих сердцах для создания субстанции, из которой состоим мы с вами.

Водород, недостаток которого рано или поздно вызовет гибель всех звезд во Вселенной…

Осмысливая последнюю фразу, вы вдруг вспоминаете, что произойдет с Солнцем через пять миллиардов лет, и немедленно возвращаетесь в нормальный размер, оставив вашу мини-копию плавать где-то в слишком маленьком для восприятия человеческим глазом мире.

Ваше восприятие Вселенной очень изменилось с тех пор, как вы лениво наблюдали за звездами с пляжа тропического острова. Теперь вы знаете, что пустоты не бывает, что все взаимодействует со всем, вплоть до самых потаенных частей атомов, созданных и остающихся целыми благодаря чрезвычайно сильным взаимодействиям.

* * *

Небо за окном кухни приобретает красный оттенок. Солнце садится где-то на западе, раскрашивая плоские облака в пылающие цвета.

Ваша рука болит из-за того, что слишком долго держала пакет с молоком, но теперь, потягивая из чашки остывший разбавленный кофе, вы с отсутствующим видом подходите к окну, смотрите на небо и вдруг понимаете, что значит быть частью семьи звезды.

Все звезды Вселенной излучают и заливают свои космические окрестности светом и частицами, всеми прямыми или косвенными побочными продуктами термоядерных реакторов своих сердец. И в то время как их гравитация – создаваемая ими в пространстве-времени кривая – заставляет каждый отдельный близлежащий или пролетающий мимо объект падать по отношению к ним, ветра из частиц и света выдуваются наружу, в космос, вдаль, создавая пульсацию невидимых фоновых полей, заполняющих все вокруг.

Вселенная действительно походит на огромный океан, и некоторые (весьма серьезные) космические инженеры даже представляют себе строительство космических кораблей с огромными парусами, чтобы поймать в них эти солнечные ветра и направить свои корабли к краям Вселенной, подобно космическим морякам, плывущим по склонам пространства-времени без всякого топлива…

На землю опустилась ночь, а вы все еще не шелохнулись. Небо прояснилось. Вы смотрите на звезды. Их не так много, хотя, может, дело в слишком интенсивном световом загрязнении. Тем не менее теперь вы знаете, что звезды, что вы можете увидеть здесь, не те же самые, на которые вы любовались на тропическом острове. Теперь вы собираете фотоны, излученные звездами, живущими в другой части Млечного Пути. И они вполне обычные звезды, огромные шары, чья гравитационная энергия строит большие атомы из маленьких, сливая их ядра вместе.

Весьма примечательно и скорее вопреки тому, к чему мы, люди, привыкли, все в космическом пространстве кажется созидающей силой.

Кажется, да, потому что вы еще не видели всего уже известного науке.

Для этого необходимо третье квантовое поле.

Третье море, заполняющее всю Вселенную точно так же, как другие два; море, переносчиками фундаментального взаимодействия которого не являются ни фотоны, ни глюоны, ни мезоны.

И как раз его можно рассматривать как поле разрушающее, уничтожающее то, что сделали другие. Оно является последним из четырех взаимодействий, управляющих Вселенной.

Эта последнее взаимодействие также ядерное: такое же сильное, как вы только что выяснили, оно действует только на составляющие атомных ядер. Но оно гораздо слабее, чем сильное взаимодействие, и поэтому называется слабым ядерным взаимодействием. Вездесущее квантовое поле, у которого есть свои фундаментальные частицы и переносчики взаимодействия, называется квантовым полем слабого ядерного взаимодействия. Спонтанный распад атомных ядер, процесс, известный как радиоактивность, является одной из его характеристик.

Теперь, прежде чем увидеть действие радиоактивности на практике, может оказаться полезным вспомнить, что она унесла жизни многих исследователей. Не сознавая, что смертельный невидимый свет облучает их, медленно разрушая тела, они работали с необработанными, высокорадиоактивными материалами голыми руками… Замечательный французский ученый польского происхождения Мари Кюри – единственный дважды лауреат Нобелевской премии по физике (в 1903 году за совместное исследование радиоактивности) и по химии (в 1911 году за открытие двух новых элементов: радия и полония) – была одной из них. Она могла и не знать, от чего умерла, но то, чему вы сейчас станете свидетелем, будет как раз тем, что увидела бы она, имей сегодняшние знания, вместе с удобной возможностью превратиться в мини-Мари.

Выливая холодный кофе в раковину, вы сжимаетесь обратно в мини-копию, а мини-глаза пользуются моментом, чтобы адаптироваться к темноте.

Вы снова рядом с атомом золота.

Он прямо перед вами, атом настолько сильный и твердый, что для его создания потребуется энергии больше, чем необходимо для притяжения звезд. Золото создается не во время жизни, а во время смерти звезды в результате взрыва. Когда наше Солнце погибнет, оно тоже создаст некоторое количество золота, которое, кто знает, может быть, в один прекрасный день появится в виде кольца на пальце (щупальце?) неизвестных существ будущего.

Но, когда вы рассматриваете его, этот атом совсем не выглядит таким ценным, как, кажется, полагает значительная часть человечества.

Чем тогда золото так желанно?

Изменяется ли оно с течением времени? Ловит ли пролетающие мимо атомы для создания необыкновенных молекул?

Вы ждете некоторое время, наблюдая, так ли это. Но нет.

Ничего не происходит.

Ну разумеется.

Тот факт, что с золотом никогда ничего не происходит, – одна из причин его ценности. Золото не ржавеет. Оно не окисляется (что происходит, когда электроны атома кислорода связываются с атомами металла). Оно не подвержено действию коррозии.

Золото является самым пластичным из всех металлов, и, если у вас есть достаточный кусок, из него можно вытянуть длиннющую тончайшую проволоку (платина и серебро порвутся задолго до того момента). Из множества атомов золота можно легко создать вещь практически любой формы. И чем бы она ни была, она все равно будет проводить электричество, то есть электрон, введенный на одном конце длинной цепи из атомов золота, проделает по ней свой путь и выйдет с другой стороны.

ЗОЛОТО НЕ РЖАВЕЕТ, НЕ ОКИСЛЯЕТСЯ, НЕ ПОДВЕРЖЕНО ДЕЙСТВИЮ КОРРОЗИИ. ЗОЛОТО ЯВЛЯЕТСЯ САМЫМ ПЛАСТИЧНЫМ ИЗ ВСЕХ МЕТАЛЛОВ, ИЗ АТОМОВ ЗОЛОТА МОЖНО ЛЕГКО СОЗДАТЬ ВЕЩЬ ПРАКТИЧЕСКИ ЛЮБОЙ ФОРМЫ.

Все эти исключительные свойства могут приводить к практическим использованиям, не всегда заканчивающимся обручальным кольцом, но бесценным.

Добавьте факт, что золото – редкий, трудно добываемый металл, полученный в результате смерти звезды, и сразу становится понятно, почему он так дорогостоящ. Так что оставим его в покое, потому что с ним действительно ничего не происходит.

Чтобы увидеть нечто иное, понадобится другой атом, который, как ни странно, пролетает мимо.

И он гораздо больше.

Насколько можно сказать, у него 94 электрона, вращающихся вокруг ядра, состоящего из 94 протонов и 145 нейтронов. 239 кварковых тюрем. На 42 больше, чем у золота.

Этот атом – одна из форм скандально известного элемента под названием плутоний. А так как в нем 239 кварковых тюрем, он называется плутонием-239. Существуют и другие виды плутония, так же как есть и другие виды золота,[39] кроме того, что обнаружилось на вашей кухне. Они могут иметь в ядрах больше или меньше нейтронов, но всегда одинаковое число протонов, иначе они перестали бы быть плутонием или золотом.

И раз уж изучать золото не так интересно, то что-то подсказывает вам, что внутри ядра плутония-239 вскоре внезапно произойдет странное явление.

Без колебаний вы проходите его электронные оболочки слой за слоем. Пересекаете огромные пустоты, заполненные виртуальными фотонами. Вот и ядро. 239 кварковых тюрем оказываются прямо перед вами. Сильное ядерное воздействие сложило их в аккуратную стопку, но интуиция подсказывает, что целью должен стать один из нейтронов.

Вы ныряете внутрь.

Там два нижних и один верхний кварк, прочно удерживаемые вместе сильными глюонами.

Однако как раз в момент вашего появления в один из нижних кварков ударяется внезапно появившаяся виртуальная частица, которой вы раньше не видели, только для того, чтобы превратить нижний кварк в верхний. Принадлежащий ему нейтрон, таким образом, сразу становится протоном, создавая хаос. Теперь все атомное ядро выходит из равновесия. Эффект мгновенный и драматичный.

Шестое чувство велит вам спасаться, мини-копия вылетает из ядра и электронных оболочек, успев увидеть многократный распад ядра плутония на все более мелкие части, которые пытаются – иногда терпя неудачу – забрать с собой несколько электронов. Сверхэнергетические частицы вылетают на каждом этапе процесса, в том числе еще одна, не виденная вами раньше. Плутоний распался. Прямо на ваших глазах. И все продукты этого распада в настоящее время разлетаются в стороны. Фейерверк, в конечном счете, уничтоживший сам себя. Не считая других атомов плутония-239 вокруг. Но на вашей кухне их больше нет. Так что все быстро стихает.

Вы только что стали свидетелем одного из аспектов четвертой известной силы природы: слабого ядерного взаимодействия с его виртуальными частицами – переносчиками взаимодействий, способными превращать кварки друг в друга. Эти переносчики взаимодействия называют W– и Z-бозоны.

То, что вы только что видели, является распадом атома на более мелкие и более стабильные атомы. Это было спонтанное деление атомного ядра, прямая противоположность его слиянию. Процесс радиоактивного распада. То, что и является радиоактивностью, слабое ядерное взаимодействие отвечает за нее с помощью переносчиков, W– и Z-бозонов.

Вольфганг Паули, все тот же Паули, который придумал принцип запрета, изучал такой атомный распад около ста лет назад. В отличие от вас он не знал о существовании полей, но, сравнивая то, что он наблюдал до и после радиоактивного распада, понял, что часть энергии исчезает. Таким образом, он предположил существование до сих пор неизвестной частицы, виновной в захвате энергии, частицы с крайне малой массой, не имеющей никакого электрического заряда, частицы настолько неуловимой, что после своего выброса она проходит через всю известную нам материю практически беспрепятственно.

В настоящее время известно, что эта новая частица существует. Вы только что видели ее. Из всех выбрасываемых частиц радиоактивного распада это единственная, которую вы не видели раньше. Она называется нейтрино.

Американский физик Фредерик Райнес и его коллеги экспериментально доказали его существование в 1956 году; почти сорок лет спустя, в 1995 году, Райнес получил за него Нобелевскую премию по химии. Однажды он выразился, что нейтрино – это мельчайшая частица реальности из когда-либо представленных себе человеческим существом. Сегодня мы знаем, что эти нейтрино (а их много) подчиняются только полю слабого ядерного взаимодействия и гравитации. Они полностью нечувствительны к электромагнитным полям и полям сильного взаимодействия.

С их точки зрения, атомы являются такими же, какими они показались вам на первый взгляд, – пустыми.

И это хорошо.

Почему?

Потому что если бы нейтрино взаимодействовали с атомами, то у нас были бы большие проблемы, так как они в большом количестве производятся внутри Солнца.

Точнее, в очень большом.

Около 60 миллиардов нейтрино врезаются в каждый квадратный сантиметр вашей кожи.

Каждую секунду.

И они даже не замечают вас. Никто.

Однако, как ни досадно это может прозвучать, для них не существует разницы между вами и, скажем, ничем. Они пролетают сквозь вас. А потом сквозь Землю.[40] И продолжают свое путешествие по космосу, как будто ни вас, ни нашей планеты никогда не было и в помине.

Далее, всех нас учили, что радиоактивность опасна и что нужно по возможности избегать радиоактивных материалов, таких как плутоний, уран, радий или полоний, – и совершенно справедливо. Но так как для нейтрино нет разницы между вами и ничем, то бояться их не стоит.

Причина связана с другими частицами, выделяющимися в процессе радиоактивного распада, и, к счастью, вы уже знакомы с ними.

При распаде ядра атома оно расщепляется и может испускать нейтрино, кварковые тюрьмы, электроны и свет. Последняя троица опасна.

Самая крупная часть из трех, в свою очередь, состоит из связки четырех кварковых тюрем: двух нейтронов и двух протонов. Она называется альфа-частицей и соответствует лишенному электронов атому гелия. Поэтому, чтобы стать атомом, ядру необходимо «украсть» откуда-то два электрона, трюк, осуществить который он может несколькими способами. Он может нагло стащить парочку у соседнего атома, альтруистично поделиться с соседним атомом или добросердечно «усыновить» беспризорные электроны.

В первом случае лишенный электронов атом начинает искать себе другие электроны… Если поблизости оказались живые существа (вроде нас с вами на кухне), то с электронами, украденными из атомов кожи, может произойти странная химическая реакция, приводящая к так называемым радиоактивным ожогам. Вот почему альфа-частицы опасны.

Второй тип частиц, выделяющихся в процессе радиоактивного распада, – бета-частицы, испускаемые, к примеру, в процессе радиоактивного распада – сильно заряженные электроны, которые могут вытолкать другие электроны (что приведет к той же опасности). Последними в троице окажутся высокоэнергетические фотоны, гамма-лучи – мы встретили их в предыдущем космическом путешествии, отметив тогда их невероятно высокую энергетическую частоту.

Попадая на атом, гамма-луч может лишить его одного из электронов, превратив атом в ион, стремящийся найти другой электрон, снова создавая ожоги на нашей коже.

Но гамма-лучи также могут иметь и гораздо худшие последствия.

Ничто не обязывает их остановиться на поверхности нашего тела. Они могут проникать в него и вызывать локальный хаос глубоко внутри, не только выбрасывая электроны из атомных домов, но и разбивая молекулы вроде молекул ДНК, в самом сердце клеток, тем самым изменяя команды, используемые организмом для обеспечения жизнедеятельности наших тел. Обычным результатом становится рак и (или) генетические мутации.

Все эти потенциальные последствия страшны. Трудно было бы утверждать обратное. Но есть и светлая сторона: подобно гравитации, электромагнетизму и сильному взаимодействию, радиоактивность, даже будучи разрушительной силой, является естественным процессом, происходящим всегда и везде, даже в вашем теле, с очень медленной скоростью. Беспокоиться стоит, только если кто-то подвергается воздействию высокого уровня радиации.

На самом деле, мы должны быть благодарны, что радиоактивность вообще существует. Она может убить, да, но в первую очередь, без нее вы бы не появились на свет. На Земле, глубоко под вашими ногами, наша планета содержит множество непрестанно распадающихся атомов. Теперь там меньшее их количество, чем в прошлом, но все же мантия Земли радиоактивна. При распаде атомов испускаемые ими частицы врезаются в своих соседей, вырабатывая тепло, весьма способствующее обогреву планеты. Без радиоактивности не было бы сейсмической или вулканической активности. Поверхность Земли стала бы мертвой ледяной миллиарды лет назад. Жизнь в известной нам форме не существовала бы вообще.

Радиоактивность разрушает атомы. Радиоактивность убивает. Но она необходима, чтобы согреть наш мир, возвращая часть накопленной звездами энергии внутри атомов, создавших нашу родную планету.

И напоследок короткий комментарий, прежде чем позволить вам отправиться в путешествие к истокам происхождения пространства и времени: атомная энергия в целом, путем деления или слияния атомных ядер, вовлекает в процесс мощные энергии, и человечество пытается собрать их с большей или меньшей эффективностью с помощью ядерных установок. Мы можем только надеяться, что такие технологии в один прекрасный день станут экологически чистыми и безопасными, так как их потенциал поразителен.

Несмотря на довольно негативные отзывы прессы и не имеющее оправдания использование ядерной энергии в прошлом, мы никогда не должны забывать, что без нее наше существование было бы невозможным. Без радиоактивности жизнь на Земле прекратилась бы.

Такова жизнь, как мы, конечно же, знаем.