Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

Кэрролл Шон

Глава 3

Атомы и частицы

Мы разрываем материю на части, чтобы найти основные кирпичики, из которых она построена, – кварки и лептоны.

В начале 1800-х годов немецкий терапевт Самуэль Ганеман заложил основы гомеопатии. Разочаровавшись в эффективности методов тогдашней медицины, Ганеман разработал новый подход, основанный на принципе «лечения подобного подобным». Ганеман утверждал, что лечить болезнь можно в первую очередь с помощью субстанции той же природы, что и субстанция, вызвавшая данный недуг, нужно только ее правильно приготовить. Способ приготовления назывался потенцированием и состоял в последовательном разбавлении вещества водой и энергичного встряхивания раствора после каждого акта разбавления.

Обычно при разбавлении смешивают одну часть вещества с 99 частями воды. Гомеопатические препараты так и готовятся: разбавляют, встряхивают, еще раз разбавляют, еще раз встряхивают, и так 200 раз.

Недавно Криспиан Яго – профессиональный консультант по программному обеспечению и по совместительству член общества скептиков-любителей из Хемпшира – решил публично продемонстрировать нелепость гомеопатии как медицинского метода. Для этого он решил применить метод последовательного разбавления, использовав легкодоступное вещество – собственную мочу. Полученный раствор он затем выпил. Поскольку он был не очень терпеливым, то разбавлял мочу только 30 раз. Для наукообразности он назвал мочу не «мочой» (urine), а «писой» (piss), а затем заявил, что разработал лекарство для лечения состояния «being pissed», что переводится либо как «быть рассерженным» (на американском английском), либо как «быть пьяным» (на британском английском). И естественно, выложил эти результаты для широкого обозрения в виде скандального видеоролика на сайте YouTube.

У Яго были веские причины не переживать из-за того, что придется пить мочу, разведенную 30 раз в соотношении 1:99, поскольку к тридцатому разведению полученный таким образом раствор вообще не содержал первоначального вещества. Не просто «незначительного количества», а на самом деле ничего – конечно, если процесс разведения был проделан достаточно аккуратно.

Объясняется это тем, что все в окружающем нас мире – моча, алмазы, картофель-фри, действительно все – состоит из атомов, как правило, объединенных в молекулы. Эти молекулы – самые мелкие кирпичики вещества, которые все еще можно считать частичками этого вещества. По отдельности два атома водорода и один атом кислорода – только атомы, в соединении друг с другом в молекуле они становятся водой.

Поскольку все вещества состоят из атомов и молекул, мы не можем разбавлять вещество бесконечно и считать, что оно все еще сохраняет свою идентичность. Чайная ложка мочи содержит примерно 10²⁴ молекул. Если мы один раз ее разбавим, смешав 1 часть мочи с 99 частями воды, у нас останется 10²² молекул мочи. Разведем два раза, и у нас останется 10²⁰ молекул. К тому времени, когда мы разбавим двенадцать раз, в ложке раствора останется в среднем только одна молекула исходного вещества. А дальше идет обычное очковтирательство – просто смешивается вода с еще большим количеством воды. Приблизительно за 40–50 разведений мы смогли бы разбавить до одной молекулы все вещество известной Вселенной.

Поэтому когда Яго закончил процедуру и сделал свой показательный глоток, вода, которую он пил, была столь же чиста, как и вода из крана. Сторонники гомеопатии, конечно, знают все это, но считают, что молекулы воды сохраняют «память» о любом веществе, первоначально в ней растворенном, а приготовленный таким образом раствор даже действеннее, чем первоначальное вещество. Это не соответствует всему, что мы знаем из физики и химии, да и клинические испытания гомеопатических препаратов показывают, что их эффективность в борьбе с болезнью не выше, чем у плацебо.

Однако людям часто свойственно не доверять фактам. А ведь один из самых замечательных фактов – это то, что вещество состоит из атомов и молекул. И кроме того, для создания многообразия всего, существующего в нашем наблюдаемом мире, требуется лишь несколько фундаментальных элементарных частиц, способных образовывать различные комбинации.

На первый взгляд «зоопарк» частиц выглядит сложным и устрашающим, но на самом деле существует всего двенадцать частиц вещества, которые распадаются точно на две группы по шесть: кварки, которые участвуют в сильных ядерных взаимодействиях, и лептоны, которые этого не делают. История открытия элементарных частиц – это удивительная история, длившаяся столетие: начиная с обнаружения электрона в 1897 году и до открытия последнего элементарного фермиона (тау-нейтрино) в 2000 году. Здесь мы проведем краткую экскурсию по «зоопарку», а более подробное описание

частиц и их характеристики приведем в Приложении 2. Когда все разложится по полочкам, мы будем иметь относительно простой набор частиц, из которых сделано все остальное.

Изображения атомов

Все видели схематические изображения атомов. На этих рисунках атомы похожи на крошечные солнечные системы: в центре – ядро, а вокруг него, каждый по своей орбите, вращаются электроны. Эта схема используется в качестве логотипа Комиссии по атомной энергии США. Однако на самом деле такое изображение атома – искусный обман.

Эта картинка – по сути модель атома Бора, названная в честь датского физика Нильса Бора, использовавшего в определении структуры атома идеи квантовой механики. До этого была принята другая модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом, английским физиком, уроженцем Новой Зеландии. В модели атома Резерфорда электроны вращались вокруг ядра на самых разных расстоянии, подобно планетам в реальной Солнечной системе (с той разницей, что на электроны действует электромагнитная сила, а не сила тяжести). Бор модифицировал эту идею, внеся ограничение, согласно которому электроны могут находиться только на определенных орбитах, и это явилось крупным шагом вперед в объяснении экспериментальных данных, касающихся спектров атомов. Теперь мы знаем, что электроны на самом деле вообще не «вращаются», потому что они в реальности не имеют точного «положения» или «скорости». Квантовая механика говорит, что электрон существует в виде облака вероятности, называемого «волновой функцией», которая показывает, где мы могли бы обнаружить частицу, если бы принялись ее искать.

Схематическое изображение атома, в данном случае атома гелия. Ядро расположено в центре и состоит из двух протонов и двух нейтронов, а два электрона «вращаются» на некотором расстоянии вокруг него.

Со всеми этими оговорками, если мы хотим получить лишь некоторое интуитивное представление о том, что в атоме происходит, сложившееся у нас в голове схематичное представление о том, как он выглядит, не так уж плохо. Ядра в центре, электроны на окраинах. Электроны относительно легкие, больше 99,9 % всей массы атома находится в ядре, а ядро состоит из смеси протонов и нейтронов. Нейтроны немного тяжелее, чем протоны, – нейтрон тяжелее электрона примерно в 1842 раза, а протон – примерно в 1836 раз. И протоны, и нейтроны называются «нуклонами», поскольку являются частицами, входящими в состав ядер. Оба нуклона удивительно похожи друг на друга, только вот протон имеет электрический заряд, а нейтрон – нейтрален, и, как уже было сказано, чуть-чуть тяжелее.

Подобно многим вещам в нашей жизни, строение атома определяется тончайшим балансом сил. Электроны притягиваются к ядру электромагнитной силой, которая гораздо сильнее, чем сила тяжести. Электромагнитное притяжение между электроном и протоном примерно в 10³⁹ раз сильнее гравитационного притяжения между ними. Но в то время как гравитация – вещь простая (всё притягивает всё), электромагнитное взаимодействие является более хитрым. Нейтроны получили свое название потому, что они нейтральны, то есть вообще не имеют электрического заряда. И следовательно, электромагнитное взаимодействие между электроном и нейтроном равно нулю.

Частицы с одноименным электрическим зарядом отталкиваются друг от друга, в то время как противоположности, в соответствии с романтическими клише, притягиваются. Электроны притягиваются к протонам, находящимся внутри ядра, поскольку электроны отрицательно заряжены, а протоны – положительно. Но тогда возникает вопрос: почему упакованные так плотно внутри ядра протоны не отталкивают друг друга? Дело в том, что их взаимное электромагнитное отталкивание действительно существует, но оно значительно слабее, чем сильное ядерное взаимодействие. Электроны не чувствуют этого сильного взаимодействия (как нейтроны не чувствуют электромагнитного), а вот протоны и нейтроны его очень даже чувствуют, и именно поэтому могут объединяться друг с другом и образовывать атомные ядра. Однако только до определенного предела. Если ядро становится слишком большим, электрическое отталкивание усиливается настолько, что протонам уже трудно удержаться вместе, и ядро приобретает радиоактивные свойства: оно поживет еще какое-то время, а потом распадется на меньшие ядра.