Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Золото в ваших кольцах, Вольфрам в нити накала (если вы еще помните лампы накаливания) и Кремний в чипах вашего телефона – это примеры одного соответствующего из девяноста четырех базовых строительных блоков, которые мы в совокупности называем элементами (подробнее см. гл. 4). Выдыхаемый вами воздух, по большей части диоксид Углерода (CO₂), алкоголь в вашем бокале (C₂H₆O) и песок, из которого был сделан этот бокал (SiO₂), – это молекулы, объединенные в фиксированные сочетания и призванные создать неисчислимые сложные структуры, из которых и состоит наш мир. Молекулы могут оказаться очень непростыми: в одной только молекуле ДНК, составляющей первую человеческую хромосому, присутствуют тринадцать миллиардов атомов, и все они соединяются друг с другом, следуя точной закономерности, а она, в свою очередь, представляет

собой часть кода, благодаря которому вы – это вы.

Разделить неделимое: строительные блоки атомов

Итак, мы уже отметили, что атомы, несмотря на происхождение термина, можно разделить. Они сделаны из более фундаментальных строительных блоков, подразделенных на два семейства – это лептоны и кварки. Их удерживают воедино четыре фундаментальных взаимодействия, которые передаются при помощи еще одного семейства частиц – бозонов. Если составить перечень всех лептонов и кварков, которые нам удалось открыть, вместе с их антиматериальными двойниками, и добавить к ним бозоны, переносящие взаимодействия, мы получим список из тридцати одной «фундаментальной» частицы¹⁰ – и это звучит так, будто они не слишком-то фундаментальны! Многие физики полагают, что нам необходимо спуститься еще на один уровень в строении вещества, и мы обнаружим, что все эти различные частицы – на самом деле проявления крошечных вибрирующих «струн»¹¹. Но пока что наша модель для мельчайших величин, существующих в природе, насчитывает тридцать один объект, и впредь мы будем называть такие объекты фундаментальными частицами.

На рис. 3.2 показана иерархия вещества, начиная от общих состояний, о которых мы говорили в начале этой главы, – твердое тело, жидкость, газ – до молекул и атомов, а потом – от атомов до их составляющих частей. Кроме того, показано число сочетаний частиц на каждом уровне.

Рис. 3.2. Строение вещества, начиная с чашки кофе, в которой присутствуют твердое тело, жидкость и газ, при этом все они состоят из молекул, а те, в свою очередь, созданы из особых сочетаний атомов, которые и сами состоят из более фундаментальных частиц. Число типов частиц на каждом уровне обозначено как n; обратите внимание, что четвертое состояние вещества (не показанное на рисунке) – это плазма, в которой атомы разрываются на части. Представлено лишь первое из трех поколений фермионов

Большая часть рис. 3.2, как и вопрос о том, существует ли еще более глубокий уровень материи, выходит за пределы нашего исследования, поскольку нам в данный момент необходима просто надежная и точная модель атомов, из которых состоит космос. С первых микросекунд возникновения Вселенной имеют значение лишь несколько фундаментальных частиц, и их примерно полдесятка: это электроны (e или e^—) и их антиматериальные двойники, позитроны (e⁺ или e^+***); нейтрино, ассоциируемые с ними (v_e и v_e); а также «верхние» (u) и нижние (d) кварки и переносчики взаимодействий. Поговорим обо всех по очереди.

Электрон, открытый в 1897 году, неизмеримо мал (меньше 10^–18 м, миллионная триллионная доля метра в диаметре), наделен крохотной (но определенно измеримой) массой в 9 x 10^–31 кг и несет отрицательный электрический заряд –1, установленный нами произвольно как единица заряда на атомном уровне. Его антиматериальный двойник, позитрон, обладает такими же размером и массой, но, как и все античастицы, характеризуется противоположным зарядом, +1. Вещество и антивещество не очень хорошо сочетаются – более того, когда электрон встречается с позитроном, они взаимно уничтожают друг друга во вспышке света. Все атомы в современной Вселенной содержат электроны, но нам не следует забывать и о позитронах, поскольку в ходе естественных процессов, как мы еще увидим, могут рождаться и они, а сами эти процессы сыграют ключевую роль в воссоздании наших историй.

Электроны и позитроны входят в группу фермионов (см. рис. 3.2), в которой каждая частица обладает еще одним дополнительным свойством, важным для нашего повествования – это свойство с причудливым именем «спин». Представьте, что все подобные частицы –

это крошечные волчки, способные вращаться лишь по часовой стрелке или против нее с амплитудой в ± 1/2 (опять же, это произвольно выбранная шкала атомных единиц, на которой бозоны, переносчики взаимодействий, имеют спин 1 или 2). С другими частицами они вступают в гравитационное (поскольку обладают массой), электромагнитное (поскольку имеют заряд) и слабое ядерное взаимодействие (поскольку у них есть свойство, называемое «лептонным числом» ±1).

Нейтрино (v_e) были обнаружены только в 1956 году, хотя ученые постулировали их существование еще за десятилетия до этого, пытаясь объяснить исчезновение энергии в определенных ядерных реакциях. Нейтрино обладают крошечными размерами и еще меньшей массой; ее верхний предел составляет примерно 1/600 000 от массы электрона. Они электрически нейтральны, и для них характерен спин с амплитудой ± 1/2 . Поскольку они могут откликаться лишь на гравитацию (очень слабо, при условии их крошечной массы) и на слабое ядерное взаимодействие, они почти не взаимодействуют с обычным веществом. За время, которое вы затратите на прочтение этой фразы, 20 000 триллионов нейтрино, излученных Солнцем, пройдут через ваше тело, а вы этого даже не заметите. Это окажется правдой даже в том случае, если вы читаете эту страницу ночью, когда Солнце находится на другой стороне Земли, поскольку нейтрино проходят прямо через земную толщу и достигнут вас, пройдя через пол. Они играют главную роль в некоторых радиоактивных распадах и будут важны, когда мы применим атомные ядра в роли часов, чтобы составить карту наших будущих исторических экскурсов.

В современной Вселенной есть еще одно семейство фермионов, кварки, которые никогда не оказываются в одиночестве; они всегда связаны в пары или триплеты (см. рис. 3.2). Важное значение для нас имеют два определенных кварка, которые сочетаются, формируя протоны и нейтроны – кварки u и d. Ученые впервые постулировали их существование в 1960-х годах, а впоследствии подтвердили и описали его в многочисленных экспериментах, проведенных на ускорителях частиц. Кварки имеют дробные заряды: u = + ²/₃ и d = – ¹/₃, их массы составляют примерно 4,0 и 9,4 массы электрона соответственно, и, как фермионы, они также имеют спин ± ¹/₂. Все кварки обладают дополнительной уникальной характеристикой: они реагируют на сильное ядерное взаимодействие благодаря своему четвертому свойству, которое мы называем «цветовым зарядом».

Многие сочетания этих и четырех других разновидностей кварков возможны в принципе и могут на мгновения возникать в лабораториях. Но для нашего мира важны два – это триплет uud, образующий протон, и триплет udd, благодаря которому создается нейтрон. Простое суммирование даст нам заряды этих составных частиц: uud — +²/₃ + ²/₃ – ¹/₃ = +1 для протона и udd – + ²/₃ – ¹/₃ – ¹/₃ = 0 для нейтрона. Их спины, сочетаясь, дают чистую величину в ± ¹/₂. Но с их массами дело обстоит совершенно иначе.

Кажется очевидным, что масса трех кварков должна просто составлять сумму масс каждого отдельного кварка. Согласно таким расчетам, масса протона должна была бы оказаться в 4,0 + 4,0 + 9,4 = 17,4 раза больше массы электрона. Но, взвесив протон, мы получим совершенно иной результат: его масса превышает массу электрона в 1836 раз, иными словами, она в сто с лишним раз больше простой суммы отдельных масс (и эквивалентна 1,67 x 10^–27 кг). Откуда берется вся эта избыточная масса? Ее источник – «клей», благодаря которому кварки соединяются воедино. Как мы уже говорили, кварки – это уникальные обитатели «зоопарка частиц», поскольку только они реагируют на сильное ядерное взаимодействие. Точно так же, как и дополняющее его слабое ядерное взаимодействие, оно имеет свои особенности, поскольку существует только на масштабах, сравнимых с размерами атомного ядра (примерно 10^–14 м, 1 % от триллионной доли метра). Кварк, проходящий мимо протона, скажем, в 5 % от триллионной доли метра, не отреагирует совершенно никак.