До того часу вже були підозри, що зрештою ці атоми не були неподільні. За кілька років до того член Триніті-коледжу (Кембридж) Дж. Дж. Томсон продемонстрував існування частинки матерії, названої електроном, що мала масу меншу за одну тисячну частку найлегшого атома. Він використав пристрій, дещо схожий на сучасний кінескоп телевізора: розпечений метал нитки випускав електрони, а через те, що вони мають негативний електричний заряд, електричне поле може бути використане для пришвидшення їх до вкритого фосфором екрана. Коли вони вдаряються в екран, то породжують спалахи світла. Незабаром стало зрозуміло, що ці електрони повинні виходити зсередини самих атомів, а 1911 року новозеландський фізик Ернест Резерфорд, нарешті, показав, що атоми речовини мають внутрішню структуру: вони складаються з дуже маленького, позитивно зарядженого ядра, навколо якого обертається деяка кількість електронів. Він вивів це, аналізуючи, як альфа-частинки (позитивно заряджені частинки, що їх випускають радіоактивні атоми) відхиляються, коли зіштовхуються з атомами.
Спочатку вважали, що ядро атома складене з електронів і різного числа позитивно заряджених частинок, названих протонами (з грецької — «перший», бо їх вважали фундаментальними одиницями, з яких складалася матерія). Але 1932 року колега Резерфорда в Кембриджі, Джеймс Чедвік, виявив, що ядро містить іншу частинку, названу нейтроном, яка була майже така сама за масою, як протон, але без електричного заряду. Чедвік отримав Нобелівську премію за відкриття, і був обраний керівником коледжу Ґонвіл-енд-Кіз (це коледж, в якому я тепер працюю). Пізніше він пішов у відставку з посади керівника через розбіжності з іншими колегами. Після того, як молодші колеги повернулися з війни, більшість з них проголосувала за зміщення старших працівників з посад, які ті обіймали протягом тривалого часу, що викликало запеклі суперечки. Ці події відбулися ще до мене; я приєднався до коледжу 1965 року в самому кінці затятої боротьби, коли подібні розбіжності змусили іншого керівника, [згодом] нобелянта, сера Невіла Мота, піти у відставку.
Ще десь тридцять[16] років тому вважали, що протони і нейтрони були «елементарні» частинки, але експерименти, в яких протони зіштовхувалися з іншими протонами або електронами на високих швидкостях, вказали, що вони насправді складаються з дрібніших частинок. Ці частинки назвав кварками фізик Мюрей Ґел-Ман з Каліфорнійського технологічного інституту, який 1969 року отримав Нобелівську премію за свою роботу над ними. Назва походить від загадкової цитати Джеймса Джойса: «Три кварки для Мастера Марка!». Слово quark (кварк) має вимовлятися як quart (кварт), але з к на кінці, а не т, та зазвичай вимовляється як рима до lark (жайворонок, жарт).
Існує певна кількість різних сортів кварків: є шість «ароматів», які ми називаємо верхній (від англ. up), нижній (від англ. down), дивний (від англ. strange), чарівний (від англ. charmed), найнижчий (від англ. bottom), найвищий (від англ. top)[17]. Перші три аромати відомі з 1960-х років, але чарівний кварк відкрито лише у 1974-му, найнижчий — у 1977-му і найвищий — у 1995-му. Кожен з ароматів може бути трьох «кольорів»: червоного, зеленого та синього. (Слід зазначити, що ці терміни — просто позначки: кварки набагато менші за довжину хвилі видного світла і тому не мають ніякого кольору у звичному сенсі. Просто сучасні фізики, видається, використовують образніші способи називання нових частинок і явищ — вони вже більше не обмежуються грецькою!) Протон чи нейтрон складається з трьох кварків, по одному кожного кольору. Протон містить два верхніх кварки і один нижній; нейтрон — два нижніх та один верхній. Можна створити частинки, що містять інші кварки (дивний, чарівний, найнижчий і найвищий), але всі вони мають набагато більшу масу і дуже швидко розпадаються на протони та нейтрони.
Тепер ми знаємо, що ні атоми, ні протони та нейтрони всередині них не неподільні. Отже, постає питання: які є насправді елементарні частинки, основні будівельні блоки, з яких все складається? Позаяк довжина хвилі світла набагато більша, ніж розмір атома, ми не можемо сподіватися «побачити» частини атома звичайним способом. Нам потрібно використовувати щось з набагато меншою довжиною хвилі. Як ми переконалися в попередньому розділі, квантова механіка стверджує, що насправді всі частинки — хвилі, і що вища енергія частинки, то менша довжина відповідної хвилі. Так що найкраща відповідь, яку ми можемо дати, залежить від того, які високі енергії частинок ми маємо в своєму розпорядженні, бо від цього залежить, який малий масштаб відстаней ми можемо побачити. Ці енергії частинок зазвичай вимірюють в одиницях, які називають електронвольтами. (В експериментах Томсона з електронами ми бачили, що він використовував електричне поле для пришвидшення електронів. Енергія, яку електрон набуває від електричного поля в один вольт, і є електронвольт). У дев’ятнадцятому столітті, коли люди знали, як використовувати лише низькі енергії величиною кілька електронвольт, що породжені хемічною реакцією, такою як горіння, вважали, що атоми були найменшою одиницею. В експерименті Резерфорда альфа-частинки мають енергію мільйонів електронвольт. Зовсім недавно ми дізналися, як використовувати електромагнетні поля, щоб передати частинкам енергію спершу на мільйони, а потім і мільярди електронвольт. Отже, ми знаємо, що частинки, яких вважали «елементарними» тридцять[18] років тому, по суті, складаються з дрібніших частинок. Можливо, коли ми досягнемо ще вищих енергій, виявиться, що, своєю чергою, ті складаються з іще менших частинок? Це, звісно, можливо, але є деякі теоретичні підстави вважати, що ми вже знаємо або дуже близькі до знання кінцевих будівельних блоків природи.
Використання дуальності хвиль і частинок обговорено в останньому розділі. Все у Всесвіті, зокрема світло і гравітація, може бути описане в термінах частинок. Ці частинки мають властивість, так званий спін. Один із способів міркування про спін — уявляти частинки, що як маленькі дзиґи обертаються навколо осі. Однак це може ввести в оману, бо квантова механіка стверджує, що частинки не мають чітко визначеної осі. Насправді спін частинки повідомляє про те, як частинка виглядає з різних напрямів. Частинка зі спіном 0 подібна до крапки: вона виглядає однаково з усіх боків (рис. 5.1-І). З іншого боку, частинки зі спіном 1 подібні до стріли: її вигляд різний з різних напрямів (рис. 5.1-ІІ). Частинка матиме той же вигляд, тільки якщо зробить повний оберт (на 360 градусів). Частинка зі спіном 2 виглядає як двонаправлена стрілка (рис. 5.1-ІІІ), при цьому вона виглядає однаково, якщо повернути на півоберт (на 180 градусів). Аналогічно, частинки з вищими спінами виглядають так само через менші частини повного обороту. Все це видається досить простим, але існують частинки, що так само не виглядатимуть навіть через один оберт: їх треба повернути на два повні оберти! Кажуть, що такі частинки мають спін ½.
Рис. 5.1.
Всі відомі частинки у Всесвіті можна розділити на дві групи: частинки зі спіном ½, що утворюють матерію у Всесвіті, й частинки зі спіном 0, 1, і 2, що, як ми побачимо, спричиняють сили між частинками матерії. Частинки матерії підлягають так званому принципові заборони Паулі. Принцип відкрив 1925 року австрійський фізик Вольфґанґ Паулі, за що отримав Нобелівську премію в 1945 році. Він був справжнісінький фізик-теоретик: про нього говорили, що навіть його присутність у тому самому місті призводила до провалу експериментів! Принцип заборони Паулі стверджує, що дві однакові частинки не можуть існувати в однаковому стані; тобто, вони не можуть мати те ж саме положення і ту ж саму швидкість, у межах, заданих принципом невизначеності. Принцип Паулі ключовий, бо пояснює, чому частинки речовини не колапсують до стану дуже високої густини під впливом сил, створюваних частинками зі спіном 0, 1 і 2: якщо частинки матерії мають дуже близькі положення, то вони повинні мати різні швидкості, тобто вони не будуть залишатися в такому положенні надовго. Якби світ був створений без принципу заборони, кварки не сформували б окремі, чітко визначені протони і нейтрони. І вони, своєю чергою, не змогли б, разом з електронами, утворити окремі, чітко визначені атоми. Вони б усі сколапсували і утворили б більш-менш однорідну, густу «юшку».
17
Зазвичай кварки просто називають за першою англійською буквою: