Вселенная.Руководство по эксплуатации

Бломквист Джефф

Нам нужно выяснить, каковы правила игры, понять, какие игроки в нее играют, а какие — нет, и, вероятно, добавить два слова о мячике. В идеале мы когда-нибудь докажем, что все эти на вид разные игры на самом деле — одна суперпотрясающая метаигра вроде десятиборья. Физики уже отлично поработали над описанием физических законов, разбив их на две части:

1) игроки — существует набор фундаментальных частиц;

2) игры — существуют четыре силы, каждая из которых подчиняется примерно похожим наборам правил. Не все частицы играют во все игры.

Набор частиц и набор правил вместе называются «стандартная модель». Стандартная модель служит не только для описания того, из чего создана Вселенная,

но и для бесконечных плоских каламбуров.

Начнем с основ: материя состоит из атомов⁵¹.

* То есть вся материя, которую можно увидеть и потрогать. Относительно темной материи ничего нельзя утверждать с уверенностью.

Эту идею выдвинул в 1789 году химик Антуан Лавуазье, который заявил, что делить материю до бесконечно малых величин невозможно, в конце концов получаются мельчайшие неделимые частицы⁵².

* Да-да, мы знаем, что Демокрит с Левкиппом еще в V веке до нашей эры додумались до идеи «атомов» как неделимых частичек, самых мелких предметов во Вселенной, но всякое сходства их атомов с нашими следует считать случайным совпадением.

Эти «неделимые частицы» стали называть атомами, но лишь в последние сто лет мы наконец поняли, какие атомы на самом деле маленькие и компактные.

В 1909 году Эрнест Резерфорд проделал следующий опыт: он направил луч так называемых альфа-частиц⁵³ на кусок тоненькой золотой фольги.

*В те дни названия частиц звучали куда фантастичней нынешнего. Поскольку тогда мы не представляли себе, из чего состоит материя, то придумывали названия вроде «альфа-частиц», «бета-частиц» и «гамма-лучей». Впоследствии их заменили «ядрами гелия», «электронами» и «высокоэнергичными фотонами». Да, здорово жилось в старые времена! Вот почему в наши дни так популярен стиль стимпанк.

Большинство альфа-частиц прошли сквозь фольгу, как будто ее и не было. Однако некоторые альфа-частицы отразились от фольги и отскочили обратно. Как говорил сам Резерфорд: «Это было невероятно — как будто стреляешь пятнадцатидюймовым снарядом в папиросную бумагу, а он отскакивает и попадает в тебя!» От этого, разумеется, и отталкивались художники, придумавшие первую развеселую обложку для учебника под девизом «Физика и жизнь».

Резерфорд обнаружил крошечную крупинку в центре атома. Этот комочек мы и называем ядром, и когда мы говорим, что он крошечный, то отвечаем за свои слова. Учитывая, с какими исполинскими масштабами мы столкнемся, когда будем говорить о космологии, и какими субмикроскопическими величинами оперируем в этой главе, возможно, будет проще прибегнуть к «экспоненциальному представлению»: ядро составляет примерно 10^{– 15} размера атома. То есть 0,000000000000001. Это примерно то же самое, что сравнивать размер вашего дома с размером земного шара. Поскольку в ядре заключено 99,95% массы атома, мы имеем полное право сказать, что в атоме ужасно много пустоты.

Но каким бы маленьким ни было ядро, его можно делить дальше. Бели пробиться внутрь ядра, то там обнаружатся еще более мелкие частицы — так называемые адроны, хотя вы, вероятно, знаете их по имени: это протоны и нейтроны. Именно в честь протонов и назван женевский Большой адронный коллайдер — так как именно эти частицы и должны в нем сталкиваться. Эти два адрона

похожи как две капли воды за двумя важными исключениями — нейтрон на 0,01% массивнее, а протон несет положительный электрический заряд +1, в отличие от нейтрона, который потому так и называется, что электрически нейтрален. Скоро мы вплотную займемся следствиями того, что протон обладает зарядом, а пока достаточно сказать, что если вы когда-нибудь надевали ясным зимним днем шерстяной свитер, то, наверное, знаете, что такое заряд.

Мы уже списали на адроны 99,95% массы атома, но пока ничего не сказали о крошечном остатке — о том, что, по всей видимости, составляет подавляющее большинство объема атома. Эти крошечные частички называются электронами, и о них мы начали говорить в главе 2. На этот раз мы поговорим об электронах как о фундаментальных частицах. Как бы вы их ни терли, как бы ни раздирали, ни на что более мелкое они не распадаются.

Чтобы понять, насколько они мелкие, скажем, что встречаются они так же часто, как протоны и нейтроны, однако в человеке весом 68 килограммов наберется только 14 граммов электронов. Это примерно столько, сколько весит содержимое ваших глаз. Электроны, как и протоны, обладают электрическим зарядом, но, в отличие от протонов, их заряд отрицательный (-1). В нормальных атомах электронов и протонов поровну, а значит, эти атомы электрически нейтральны.

Огромное, подавляющее большинство объема атомов состоит из пустого пространства. Конечно, в атоме есть ядро и электроны. Однако, как мы видели в главе 2, электрон — это не просто шарикоподшипник или мякоть персика (а ядро — косточка). Это большая вероятностная волна. Неужели нельзя придумать лучи или устройства, которые заставят электронные облака сжаться? Легче предметы от этого не станут, зато упаковать чемодан перед длительным путешествием станет проще простого.

Однако при этом мы сталкиваемся с проблемой неопределенности. Как мы видели в главе 2, когда пытаешься поймать электрон в небольшое пространство, чтобы создать суперминиатюрные атомы, то, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, энергия этих электронов сразу же сильно повышается. Энергия может стать настолько высокой, что электроны вырвутся из электромагнитного притяжения ядра.

В конечном итоге размер атома определяется достаточно четкой комбинацией физических констант: зарядом электрона, постоянной Планка (числом, которое говорит нам, как сильна квантовая механика), массой электрона и скоростью света. Если бы мы смогли переделать фундаментальные константы физики, то смогли бы и делать миниатюрные атомы. А пока проще покупать себе чемоданы попросторнее.Нейтральность — это удел не только Швейцарии и атомов. Сколько бы материй ни создавалось во Вселенной, протонов и электронов в ней всегда поровну, поэтому Вселенная: в целом электрически нейтральна — и всегда была такой. Нет ни одного эксперимента, в котором не сохранялся бы заряд,— неважно, где его проделывают, на Земле или в космосе. Это приводит к первому основному закону для всех фундаментальных сил:

электрический заряд не создается и не уничтожается.

Как можно ожидать, действие в нашей универсальной игре не сводится к тому, чтобы перетаскивать протоны и электроны с места на место, все время сохраняя заряд. Посмотрим, к примеру, на нейтрон. Нейтрон — это что-то вроде пациента в коридоре у кабинета врача: прождав минут десять, нейтрон взрывается. Разница в том, что вместо того, чтобы накричать на регистраторшу, нейтрон буквально разлетается на разные другие частицы.