Строение ядра оставалось неясным до начала 30-х годов. Ядро, как оказалось, также является сложной системой, состоящей из (положительно заряженных) протонов и электрически нейтральных частиц – нейтронов. Согласно современной точке зрения, протоны и нейтроны в свою очередь состоят из еще более мелких частиц – кварков. Многие физики полагают, что электроны и кварки являются подлинно элементарными частицами, – в том смысле, как это понимали древние греки. Они, по-видимому, не обладают внутренней структурой, и из них построены все известные формы обычной материи.
Очевидно, что материя имеет иерархическую структуру. Из кварков состоят протоны и нейтроны, которые в свою очередь формируют ядра атомов. Атомы комбинируются в молекулы или кристаллы. Из этих основных “материалов” состоят твердые тела, окружающие нас. Двигаясь вверх по шкале масштабов, мы придем к планетным системам, звездным скоплениям и, наконец, к галактикам, но даже галактики объединяются в скопления и сверхгалактики. Люди находятся где-то в середине этой иерархии: наши размеры соотносятся с размерами атомов примерно гак же, как размеры звезд с нашими собственными.
Известно, что одни химические элементы, например кислород и железо, имеются на Земле в изобилии, тогда как такие, как уран и золото, встречаются столь редко, что люди нередко развязывают войны, чтобы обеспечить доступ к их месторождениям. Если оценить распространенность химических элементов в целом по Вселенной, то возникнет поразительная– картина. Около 90% космического вещества приходится на долю водорода – самого легкого и простого элемента. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Подавляющую часть остальных 10% составляет гелий– простейший после водорода элемент. Ядро гелия содержит два протона и два нейтрона. Доля всех остальных элементов вместе взятых не превышает <1%. Если исключить железо, то вырисовывается следующая общая тенденция: более тяжелые элементы – такие, как золото, свинец и уран – распространены во Вселенной значительно в меньшей степени, чем более легкие: углерод, азот, кислород.
Подобная распространенность элементов весьма примечательна. Тяжелые ядра содержат большое количество протонов, и нейтронов, легкие – мало. Если бы легкие ядра могли вступать друг с другом в реакцию ядерного синтеза, то это привело бы к образованию более тяжелых ядер. Напрашивается мысль, что во Вселенной первоначально присутствовал только один простейший элемент—водород.), а более тяжелые элементы постепенно образовались на последующих стадиях ядерного синтеза. Подобная теория сразу объясняет, почему тяжелые ядра столь редки. Реакции ядерного синтеза могут протекать только при температурах, при которых преодолимо отталкивание электрически заряженных ядер. Чем больше протонов в ядре, тем сильнее отталкивание между ядрами и тем с большим трудом ядро принимает дополнительные протоны в реакции ядерного синтеза.
Понимание процесса образования химических элементов лишь отчасти объясняет “тайну” образования материи. Остается не ясным, как же образовались протоны, нейтроны и электроны, из которых состоят атомы химических элементов.
Ученым давно известно, что вещество не вечно – оно возникает и исчезает. При концентрации достаточного количества энергии происходит рождение новых частиц вещества. Мы можем рассматривать вещество как “запертую” энергию. Возможность превращения энергии в вещество наводит на мысль, что во Вселенной первоначально не было вещества и все вещество, которое мы наблюдаем сейчас, возникло из энергии Большого взрыва. Эта привлекательная теория сталкивается, однако, с серьезным затруднением. Рождение частиц вещества в лаборатории (на ускорителях) стало обыденным явлением, но образование каждой новой частицы сопровождается образованием ее “антипода” – античастицы. Например, электрон (имеющий отрицательный электрический заряд) всегда рождается в паре с антиэлектроном, который называют позитроном. Последний имеет такую же массу, как электрон, но противоположный (положительный) электрический заряд. Аналогично рождение каждого протона сопровождается рождением антипротона. В целом античастицы принято называть антивеществом.
При столкновении частицы с античастицей происходит их аннигиляция, при этом высвобождается заключенная в них энергия. Ясно, что смесь вещества и антивещества крайне неустойчива. Поэтому маловероятно, чтобы какая-нибудь, если только не самая крохотная, область Вселенной целиком состояла из антивещества. Тогда встает вопрос: каким образом возникло вещество без эквивалентного количества антивещества? Как мы узнаем в дальнейшем, последние открытия дают ключ к решению этой проблемы.
Рождение вещества из энергии не ограничивается такими общеизвестными частицами, как электрон, протон и нейтрон. Возможно образование и других, более экзотических, форм материи. На ускорителях при столкновении частиц высоких энергий рождаются сотни различных субатомных частиц. Все они нестабильны и быстро распадаются, превращаясь в более привычные виды частицы. Образующиеся при таких столкновениях частицы настолько короткоживущи, что не играют непосредственной роли во Вселенной.
Почему мы не разваливаемся на части?
Если бы не взаимодействия, то частицы материи двигались бы независимо, "не подозревая" о существовании других частиц. Благодаря взаимодействиям частицы как бы обретают способность распознавать другие частицы и реагировать на них, в результате чего рождается коллективное поведение.
Когда инженер рассуждает о силах, он обычно имеет в виду способность толкать или тянуть, представляя при этом веревку или проволоку. Силы такого рода мы вполне можем представить наглядно и, опираясь на собственный опыт, понять, как под их воздействием могут перемещаться предметы. Но существуют и другие, менее привычные проявления сил, например, радиоактивный распад атомного ядра или взрыв звезды. Поскольку вся материя состоит из частиц, для объяснения природы сил, или взаимодействий, необходимо в конечном счете обратиться к физике элементарных частиц. Сделав это, физики обнаружили, что все взаимодействия независимо от того, как они проявляются в больших масштабах, можно свести к четырем фундаментальным типам: гравитационному, электромагнитному и дум типам ядерных. В последующих главах мы узнаем, каким образом происходят эти взаимодействия между частицами. Мы увидим, что взаимодействия и частицы тесно связаны между собой, и понять природу одних без должного понимания природы других просто невозможно.
С увеличением масштаба относительное значение каждого из четырех взаимодействий меняется. На уровне кварков и атомных ядер доминируют два ядерных взаимодействия. Сильное ядерное взаимодействие связывает кварки в протоны и нейтроны и не позволяет атомным ядрам “разваливаться”. На уровне атомов преобладает электромагнитное взаимодействие, связывающее электроны с ядрами и обеспечивающее объединение атомов в молекулы. Большая часть сил, с которыми мы имеем дело в нашей повседневной жизни (натяжение проволоки, толчок, испытываемый одним телом со стороны другого и т.д.) – это примеры макроскопического проявления электромагнитного взаимодействия. В астрономических масштабах господствующим становится гравитационное взаимодействие. Таким образом, каждое взаимодействие вступает в свои права, начиная с определенного масштаба, и играет важную роль в формировании характерных особенностей физического мира.
В последние годы физики заинтересовались соотношением между четырьмя фундаментальными взаимодействиями, которые в совокупности управляют Вселенной. Существует ли между ними какая-нибудь связь? Не являются ли эти четыре фундаментальных взаимодействия всего лишь различными ипостасями единственной основополагающей суперсилы? Если такая суперсила существует, то именно она представляет собой действующее начало всякой активности во Вселенной – от рождения субатомных частиц до коллапса звезд. Разгадка тайны суперсилы невообразимо увеличила бы нашу власть над природой и даже позволила бы объяснить само “сотворение” мира.
2. Новая физика и крушение здравого смысла
Будьте осторожны: физика может свести с ума!